中科大俞书宏院士/管庆方团队 Nano Lett.: 可持续的高性能结构材料 - 基于微/纳米结构的玉米秸秆

文摘 2025-01-06 17:03 北京

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生物质材料来源于动物、植物和微生物等生物体。玉米是世界上种植面积最大的作物，但在玉米收获时，也留下了大量的农业残留物 - 玉米秸秆。因此，探索高效合理的农业废弃物玉米秸秆的高值利用方式具有重要的实际意义。目前，主要集中在将玉米秸秆分解成颗粒并与不同的聚合物结合形成复合材料。大多数研究仅在宏观尺度上机械粉碎玉米秸秆成颗粒，而没有进一步调控颗粒表面的微/纳米结构，导致所得颗粒表面相对惰性，相互作用弱。通过微/纳米结构设计来研究和调控玉米秸秆颗粒的表面物理化学性质，以增强基于玉米秸秆的结构材料的宏观性能是至关重要的。

据此，中国科学技术大学俞书宏教授院士、管庆方副教授团队创新性提出了一种基于微/纳米结构设计的玉米秸秆结构材料（CSSM），通过一步化学预处理方法制备微/纳米结构的玉米秸秆建筑块，这些建筑块具有高表面活性，能在外部力作用下互相锁定。与广泛使用的石油基塑料和木塑材料相比，CSSM展现出更优越的机械性能、出色的热稳定性和自然可降解性。同时，CSSM的生产过程是绿色和经济的，整个生产过程是低碳排放的，符合可持续发展的要求。通过LCA结果表明，CSSM是一种环境友好和低碳排放的可持续材料，对比传统聚乙烯（PE）塑料在所有环境影响类别中都显著降低了环境影响。研究结果表明，CSSM展现出优异的机械性能，包括高弯曲强度、杨氏模量和断裂韧性。CSSM在-150至100 °C的温度范围内尺寸变化极小，显示出卓越的热尺寸稳定性，其热膨胀系数远低于对比的塑料和木塑材料。CSSM由可再生的农业残留物玉米秸秆制成，易于自然降解，不会对环境造成危害。本研究为可再生生物质材料的研究提供了一种新的、有前景的方法，特别是在智能家具和绿色建筑材料领域具有重要的应用前景。

2024年12月24日，相关工作以“Sustainable High-Performance Structural Materials from Micro/nanostructured Corn Stover”为题发表在Nano Letters上。

图1. CSSM的制备示意图和表征

通过温和的机械处理，制备了表面活性更高的玉米秸秆构建块。利用定向变形组装技术，无需粘合剂即可制备出高性能的玉米秸秆结构材料（CSSM），具有低成本、环保、制备简单、热稳定性好和机械性能优异等优点。CSSM不仅实现了玉米秸秆的高值利用，还提供了一种高效的碳固定方法，废弃后可自然降解为水和CO2，被玉米植物重新利用。

图2. 微/纳米结构玉米秸秆构建块的制备与表征

在制备过程中，天然玉米秸秆经机械粉碎后呈现有序的微米级刚性纤维结构，表面因木质素而光滑。秸秆中的宽敞腔室结构有助于液体和营养物质的运输，促进了预处理过程中木质素和半纤维素的去除。经过H₂O₂和乙酸处理后，秸秆转化为具有微/纳米结构的建筑块，表面活性增强，纤维素含量提升，结晶度增加。处理后的秸秆比表面积增加，羟基转化为羧基，增强了亲水性，使其能在水中均匀分散，有利于后续的材料加工。

图3. CSSM的结构和性能表征

经过处理后，微/纳米结构的玉米秸秆构建块表面活性增强，纳米纤维在外部力作用下易于相互作用和纠缠。采用定向变形组装方法将这些高活性块体在模具中排列并组装成宏观材料，得到的CSSM表面光滑，内部由于微/纳米结构的交织实现了紧密的相互结合，展现出优异的机械强度和断裂韧性。CSSM在-150至100 °C的温度范围内尺寸变化极小，显示出卓越的热尺寸稳定性。同时，CSSM由可再生的农业残留物玉米秸秆制成，更环保、可自然降解，不会造成环境伤害。

图4. 具有焦耳加热效应的JCSSM

在引入碳纳米管（CNTs）后，JCSSM内部形成了有效的导电网络。JCSSM在恒定电压下均匀加热，温度上升导致电阻增加，直至达到稳定状态。在2.5 A恒定电流下，JCSSM的温度从室温逐渐升高至约31.5 °C，并能长期保持稳定，展现了出色的温度稳定性。同时，JCSSM即使在长时间加热后也保持了约92 MPa的弯曲应力，显示了卓越的热机械稳定性。通过甲基三乙氧基硅烷（MTES）表面处理，显著增强了其防水性能。因此，高性能JCSSM作为一种家用地板材料，具有巨大的室内热管理潜力。

原文链接

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04673

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