在全球提倡綠色環(huán)保發(fā)展的背景下,，利用儲(chǔ)量豐富,、價(jià)格低廉、綠色環(huán)保的生物質(zhì)資源作為氣凝膠的前驅(qū)體已成為發(fā)展趨勢(shì),。與傳統(tǒng)的氣凝膠材料相比,，利用天然的生物質(zhì)材料制備的氣凝膠,，不僅兼具了傳統(tǒng)氣凝膠的大比表面積、高孔隙率,、低密度以及三維互連的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等特點(diǎn),，還具有生物降解性、可再生性并且表面易于改性等優(yōu)勢(shì),，是一種環(huán)境友好型多功能材料,?？蓱?yīng)用于保溫隔熱、生物醫(yī)學(xué),、儲(chǔ)能,、吸附與分離和催化等領(lǐng)域。
齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）材料科學(xué)與工程學(xué)部氣凝膠材料創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)采用羧甲基纖維素鈉（CMC）為原料,，與PVA混合作為前驅(qū)體溶液,，將具有高吸附能力的beta-分子篩作為功能顆粒，通過(guò)定向冷凍干燥工藝設(shè)計(jì)組裝出具有定向多孔結(jié)構(gòu)的整體塊狀復(fù)合氣凝膠作為CH4吸附材料,，解決了粉末吸附劑的弊端,。同時(shí)，對(duì)beta-分子篩/CMC/PVA（beta/CP）復(fù)合氣凝膠吸附材料的結(jié)構(gòu),、形態(tài)和表面性能進(jìn)行了表征,，系統(tǒng)研究了復(fù)合氣凝膠對(duì)CH4氣體的吸附儲(chǔ)存性能。
圖1 (a) CP氣凝膠,；(b) beta-分子篩,；(c) beta/CP-2； (d) beta/CP-4,； (e) beta/CP-6 ,；(f) beta/CP-8的SEM圖
如圖1（a）所示，由于定向冷凍過(guò)程中冰晶的生成,，CP氣凝膠呈現(xiàn)出具有定向排列的孔隙結(jié)構(gòu),。在冷凍干燥過(guò)程后，CP氣凝膠可以為beta-分子篩顆粒在氣凝膠骨架中的超高負(fù)載提供良好的支撐,。由圖1（c-f）所示,，beta-分子篩均勻地被組裝于CP氣凝膠孔道結(jié)構(gòu)的表面之上。因此,，當(dāng)beta-分子篩負(fù)載到 CP氣凝膠上之,，使孔隙結(jié)構(gòu)得到充分的暴露，大大提高了孔隙利用率,，進(jìn)而提高了樣品的氣體吸附能力,。與此同時(shí)，孔壁間的孔隙結(jié)構(gòu)可以作為氣體輸送和散熱的通道,。
圖2. CP氣凝膠,，beta-分子篩和beta/CP-N復(fù)合氣凝膠(a)N2吸附-脫附等溫線；
(b)孔徑分布
圖3 beta-分子篩和beta/CP復(fù)合氣凝膠的CH4吸附曲線和承受砝碼重量的照片
從圖2可以看出加入適量的beta-分子篩后,，使復(fù)合氣凝膠的微孔體積增大,，且均勻地分布在孔道結(jié)構(gòu)的表面，使復(fù)合氣凝膠形成分級(jí)多孔結(jié)構(gòu),，并產(chǎn)生的微孔吸附和大/中孔傳輸?shù)膮f(xié)同作用,。復(fù)合氣凝膠所增加的比表面積和微孔孔體積可為 CH4氣體提供了更大的接觸面積和儲(chǔ)存空間,，以確保更大的吸附能力。而存在的大/中孔可以充當(dāng)氣體通道,，不僅能將CH4氣體輸送到微孔的界面,，還可以擴(kuò)散吸附過(guò)程中產(chǎn)生的熱量來(lái)減少吸附阻力。
從圖3可以看到beta/CP-4可承受200 g重量砝碼放在其頂部沒(méi)有任何形變,。本研究將具有吸附能力的beta-分子篩粉末顆粒轉(zhuǎn)化成具有優(yōu)異機(jī)械性能的整體塊狀吸附劑,，這直接表明 beta/CP復(fù)合氣凝膠具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，即使在高壓氣體通量下進(jìn)行吸附也不會(huì)發(fā)生破碎,，也表明其在實(shí)際應(yīng)用中的潛力,。
上述成果“Carboxymethyl cellulose/polyvinyl alcohol composite aerogel supported beta molecular sieve for CH4 adsorption and storage”發(fā)表在國(guó)際知名期刊《Carbohydrate Polymers》上。齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）材料學(xué)部2020級(jí)研究生孫金強(qiáng)為文章的第一作者,，氣凝膠材料創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)張晶副研究員和伊希斌研究員為文章的共同通訊作者,。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2023.121246