以纖維為模板劑制備納米管狀材料的研究進(jìn)展

劉佳雯，胡 欽，劉利琴，馬銘婧，祝 青，范春霖，來明秀，曹海兵，程正柏，丁明其，劉洪斌，安興業(yè)

（1. 中國(guó)輕工業(yè)造紙與生物質(zhì)精煉重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，天津300457；2. 浙江景興紙業(yè)股份有限公司，平湖314214）

由于納米結(jié)構(gòu)的材料具有較高比表面積、 高催化活性、低彈性模量、高強(qiáng)度等性質(zhì)，在電化學(xué)、催化劑等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用前景[1-2]。 從碳納米管(CNTs)的發(fā)現(xiàn)和研究開始，關(guān)于制造一維(1D)納米結(jié)構(gòu)材料如線狀、管狀和棒狀的研究成果不斷增加[3]。近年來，人們致力于設(shè)計(jì)和調(diào)控制備具有多層級(jí)、多功能性的納米結(jié)構(gòu)材料，比如納米粒子、納米管和納米纖維等[4-5]。 其中，納米管狀材料因其在藥物傳遞、催化劑載體、燃料電池、酶載體、熒光劑、發(fā)光劑、吸附劑等方面的廣泛應(yīng)用而引起了人們的廣泛興趣。

納米管狀材料的制備方法有很多。 與其他納米材料的合成方法相比， 模板法在控制納米材料形貌和尺寸方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)， 近年來成為了納米材料合成領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[6-7]。 生物模板法為制備具有特殊結(jié)構(gòu)、 多功能的人工合成材料提供了獨(dú)特的途徑。 選用恰當(dāng)?shù)哪０鍎┛蓪?shí)現(xiàn)對(duì)不同形貌和尺度納米材料的可控合成。 同時(shí)，在制備具有有序排列和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的納米管狀材料時(shí)，模板法具有工藝簡(jiǎn)單、合成路線成熟、材料形貌確定和易制得等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為新型材料開發(fā)的重要手段[8]。 模板法分為軟模板法和硬模板法兩種，軟模板法具有簡(jiǎn)單易操作、難以控制材料的尺寸大小等特點(diǎn)[9]；而硬模板法相較軟模板法更有優(yōu)勢(shì)，硬模板法以纖維為模板，通過在其表面沉積或涂覆氧化物材料， 然后經(jīng)物理煅燒或刻蝕等方式去除硬模板得到中空的納米管材料， 該材料的空腔結(jié)構(gòu)可與硬模板保持同步， 該合成方法具有產(chǎn)物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便且工藝較成熟等特點(diǎn)[10-11]。

硬模板法制備納米管狀材料主要用到的模板包括合成纖維、天然纖維素、納米纖維素等。目前，作為模板合成納米管狀材料的合成纖維主要包括聚己內(nèi)酯纖維、聚丙烯纖維等[12]；天然纖維素包括棉花纖維、濾紙纖維等[13]，納米纖維素包括纖維素納米晶、納米纖絲纖維素、細(xì)菌纖維素等[14-15]。 本文主要闡述以不同的纖維材料作為模板劑制備納米管狀材料的最新研究進(jìn)展。

1 合成纖維作為模板劑

合成纖維是將人工合成的、 具有適宜分子量并具有可溶(或可熔)性的線型聚合物，經(jīng)紡絲成形和后處理而制得的化學(xué)纖維。與天然纖維相比，合成纖維的原料是由人工合成方法制得的， 生產(chǎn)不受自然條件的限制。合成纖維具有強(qiáng)度高、質(zhì)輕、易洗快干、彈性好、防霉蛀等性質(zhì)。

1.1 聚己內(nèi)酯納米纖維

Kim 等[16]采用靜電紡絲技術(shù)制備聚己內(nèi)酯納米纖維，并將其作為模板劑，在其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中通過仿生方法在溶液中對(duì)羥基磷灰石納米粒子進(jìn)行礦化處理。隨后經(jīng)熱處理（500～800 °C）將聚己內(nèi)酯納米纖維完全去除，從而保持了納米管形貌的表面礦物相。 所開發(fā)的仿生磷灰石納米管可作為一種新型的生物材料。隨后，Kim 等[17]進(jìn)一步探究不同灼燒溫度對(duì)羥基磷灰石納米管結(jié)晶度的影響，并將其應(yīng)用于生物蛋白質(zhì)的負(fù)載和傳遞。圖1 為各階段材料的SEM 圖。從圖1（a）可知，聚己內(nèi)酯纖維網(wǎng)絡(luò)尺寸均一，以此作為礦化模板劑，經(jīng)過7 天的表面礦化后，表面被羥基磷灰石晶體完全覆蓋（圖1（b））。 隨后對(duì)礦化后的復(fù)合材料進(jìn)行800 ℃熱處理后，纖維結(jié)構(gòu)被很好地保留，且納米管表面致密，沒有出現(xiàn)裂紋。 圖1（c）清楚地顯示具有中空管狀結(jié)構(gòu)的羥基磷灰石的橫截面微觀形貌。

圖1 羥基磷灰石納米管材料的SEM 圖[7]

1.2 其他合成纖維

高鑫等[18]利用在有機(jī)溶劑體系中非常容易移除的富勒烯C60 微納米纖維作為模板劑，在超聲混合法與N-甲基-2-吡咯烷酮中直接混合， 并用甲苯溶解后成功地制備了具有波紋形貌、 空心納米管狀結(jié)構(gòu)的聚苯胺納米材料。

2 天然纖維作為模板劑

纖維素纖維是自然界最豐富的生物可降解天然高分子材料，其具有價(jià)格低廉、抗靜電性好、機(jī)械強(qiáng)度較高等優(yōu)點(diǎn)。 用纖維素纖維作為模板劑相對(duì)于其他硬模板劑而言具有較大的優(yōu)勢(shì)， 而且植物纖維細(xì)胞本身就是一個(gè)由納米材料組成的系統(tǒng)，它是制備一維納米結(jié)構(gòu)最廉價(jià)的模板劑[19]。 天然纖維主要來源于棉花、木材、禾草類植物、韌皮纖維、農(nóng)業(yè)廢棄物等[20-21]。

2.1 濾紙纖維作為模板劑

濾紙纖維的親水性較好， 與有機(jī)溶劑親和力較弱，表面孔徑較小，毛細(xì)作用明顯。 常被用于過濾、色譜分析和作為生物模板劑等，濾紙作模板劑具有成本低廉、清潔環(huán)保、易去除、空間限制能力好等優(yōu)點(diǎn)[22]。

Zhang 等[23]以天然纖維素（濾紙）和十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）膠束作為雙模板劑，采用生物模板法成功合成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、多層級(jí)、形貌復(fù)雜的介孔二氧化硅納米管。 將陽離子CTAB 膠束吸附到被超薄二氧化鈦薄膜預(yù)涂的纖維素納米纖維表面， 然后在這些膠束周圍水解和縮合正硅酸乙酯形成二氧化硅。隨后經(jīng)500 ℃高溫煅燒和硫酸處理，去除有機(jī)模板和二氧化鈦薄膜， 得到了由天然層狀二氧化硅納米管組成的塊狀白色薄片（如圖2 所示）。 該納米管狀材料在催化、分離和傳遞方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。Aoki 等[24]以濾紙纖維為模板，采用表面溶膠-凝膠工藝制備了不同In/Sn 比率的納米管狀錫銻氧化物（ITO）層片。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文制備的ITO 層片具有比其他納米結(jié)構(gòu)ITO 更高的本征電子電導(dǎo)率（0.53 S/cm），這表明納米管狀I(lǐng)TO 層片在化學(xué)傳感器和其他設(shè)備中具有潛在用途。

Zhang 等[25]以實(shí)驗(yàn)室濾紙纖維為模板劑，采用表面溶膠-凝膠法將超薄二氧化硅薄膜沉積在單根濾紙纖維上， 經(jīng)煅燒除去復(fù)合材料中的纖維得到層狀組裝結(jié)構(gòu)的二氧化硅納米管材料。 該材料具有中空管狀的多孔結(jié)構(gòu)， 且在紫外光或綠光激發(fā)下釋放較強(qiáng)的藍(lán)色或紅色光， 可用于光催化或光敏材料領(lǐng)域。 Luo 等[26]制備了一種新型的具有層狀異質(zhì)納米管狀結(jié)構(gòu)的銳鈦礦/金紅石二氧化鈦復(fù)合材料，其工藝流程如圖3 所示。 首先，采用溶膠－凝膠法將濾紙纖維制備成直徑為10 nm 的濾紙納米纖維（圖3 中a）。 然后，在納米纖維表面沉積二氧化鈦凝膠薄膜（圖3 中b）。圖3 中c 為將制備的二氧化鈦/濾紙復(fù)合薄膜在空氣中煅燒，去除纖維組分，形成銳鈦礦二氧化鈦納米管。 最后，用水熱法在銳鈦礦型二氧化鈦納米管表面沉積金紅石相二氧化鈦納米粒子， 最終形成非均質(zhì)納米管狀銳鈦礦/金紅石二氧化鈦復(fù)合材料。 由于金紅石二氧化鈦納米晶的尺寸較小， 納米管狀銳鈦礦二氧化鈦材料的比表面積較高且具有較高的穩(wěn)定性， 為其作為優(yōu)良吸附劑提供了更多的活性中心， 改善了對(duì)染料分子的吸附效果。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該復(fù)合材料對(duì)有機(jī)染料的光降解具有顯著的光催化性能。

圖3 天然濾紙纖維作模板劑制備非均相納米管狀銳鈦礦/金紅石二氧化鈦復(fù)合材料的工藝流程示意圖[26]

圖2 天然模板化分級(jí)介孔二氧化硅納米管的合成過程示意圖[23]

Zhao 等[27]采用超薄二氧化鈦凝膠包覆工業(yè)級(jí)的纖維素納米纖維(濾紙)，經(jīng)簡(jiǎn)易火焰燃燒法制備了分級(jí)納米管狀金紅石二氧化鈦材料，研究表明，該納米管狀材料同樣具有高效的光催化降解有機(jī)染料(亞甲基藍(lán))的性能。 顏潤(rùn)實(shí)[28]以天然纖維素纖維(普通定量濾紙)為生物模板，以剝離的黏土納米材料為原料， 采用表面溶膠-凝膠法和層層自組裝法相結(jié)合制備了復(fù)合黏土材料，然后采用煅燒或氫氧化鈉/尿素溶液處理纖維模板得到納米管狀的黏土材料。該材料對(duì)染料有良好的吸附效果。

2.2 棉纖維作為模板劑

棉花是具有典型分級(jí)結(jié)構(gòu)的天然植物纖維，主要由纖維素、木質(zhì)素和半纖維素構(gòu)成。棉纖維是一種以棉花為原料的纖維素纖維。 由于以棉纖維作為模板劑合成納米材料具有操作簡(jiǎn)單、 綠色環(huán)保、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，近年來將其作為模板劑制備納米管狀材料引起了科研人員的注意。例如，馮娜等[29]利用棉纖維為模板，通過液相浸漬結(jié)合高溫煅燒技術(shù)，制備出方鐵錳礦型納米晶氧化錳。趙菡婷等[30]以棉花纖維素為模板、Zn(CH3COO)2·9H2O為原料， 經(jīng)高溫煅燒制得具有纖維素管狀結(jié)構(gòu)的ZnO 微納米材料。

Ghadiri 等[31]在50 ℃、含(NH4)2TiF6和H3BO3的超純水溶液中以天然纖維素纖維(棉纖維)為模板，在其表面沉積TiO2納米顆粒，反應(yīng)25 h 后，用去離子水洗滌，并干燥24 h。隨后在500 ℃下燒蝕3 h 除去棉纖維模板劑，得到二氧化鈦中空納米管材料。通過BET 吸附-解吸實(shí)驗(yàn)測(cè)定TiO2纖維的比表面積。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 二氧化鈦中空納米纖維管的表面是高度復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)， 并且具有多層級(jí)納米管狀結(jié)構(gòu)和較高的孔隙率， 這些特殊的結(jié)構(gòu)性能對(duì)于具有對(duì)染料分子的高吸附效率而言是十分重要的。 合成的二氧化鈦中空納米纖維管狀材料可被用來生產(chǎn)與染料敏化太陽能電池結(jié)合的高度多孔光電陽極，與球形納米粒子制成的介觀薄膜相比， 表現(xiàn)出了顯著增強(qiáng)的電子傳輸性能。 Mikhaylov 等[32]利用溶膠-凝膠復(fù)合模板法制備了α-Fe2O3微管。 首先， 用FeCl3溶液在沸水中水解制備了Fe(OH)3納米粒子。 然后，用Fe（OH）3水分散體浸漬漂白棉纖維制備氧化鐵纖維。 得到的復(fù)合物在室溫下干燥，并分別在900°C 和1 200 °C 下煅燒1 h 除去纖維素模板，從而得到纖維管狀氧化鐵。該材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。

2.3 納米纖維素作為模板劑

纖維素是由很多β-D-吡喃葡萄糖基通過β-（1-4）-糖苷鍵連接而成的線性高分子材料[33]，由于羥基的存在形成較大范圍的氫鍵， 使直鏈型的結(jié)構(gòu)單元之間相互連結(jié)形成初級(jí)的納米纖維單元[34]。通過改變天然纖維素的制備條件、來源、溫度、酸濃度和化學(xué)處理時(shí)間等可調(diào)節(jié)納米纖維素的尺寸（長(zhǎng)度和直徑）[35]。納米纖維素根據(jù)材料的制備方法和性能可分為纖維素納米晶體（CNC）、纖維素納米纖絲（CNF）[36-37]等。 由于其優(yōu)異的機(jī)械、光學(xué)、電學(xué)、磁力學(xué)性能，并且具有來源廣泛、環(huán)境友好等特點(diǎn)，納米纖維素材料被廣泛應(yīng)用于造紙、建筑、電子產(chǎn)品、化妝品、醫(yī)學(xué)與食品等領(lǐng)域。

2.3.1 CNF 作為模板劑

Liu 等[38]開發(fā)了一種簡(jiǎn)便的水基一鍋反應(yīng)法，用于獲得20 nm 厚的均勻二氧化硅納米管材料。 首先，采用CNF 作為生物模板劑，以正硅酸乙酯為硅源，醇類物質(zhì)為溶劑，在纖維素表面原位成核并沿著纖維素方向生長(zhǎng)成“核-殼”結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，并冷凍干燥成高度多孔的二氧化硅/纖維素氣凝膠。 最后， 在氮?dú)夂脱鯕鈿夥障?00 ℃煅燒， 可完全除去CNF 得到二氧化硅納米管。

本課題組在以CNF 作為模板劑制備羥基磷灰石納米管狀材料時(shí)發(fā)現(xiàn)， 在800 ℃高溫狀態(tài)下去除CNF 的過程中， 羥基磷灰石納米粒子HAP 發(fā)生塌陷，并未成功獲取羥基磷灰石納米管狀材料，這可能與HAP 的制備條件及其煅燒過程中的條件設(shè)置有關(guān)。圖4（a）為CNF/HAP 復(fù)合材料，圖4（b）為將該復(fù)合材料煅燒后HAP 呈坍陷狀態(tài)。后期亟待解決的問題在于有效去除CNF 模板劑的同時(shí)如何盡量保留原模板的微觀形貌。

圖4 CNF/HAP 前驅(qū)體復(fù)合材料及800 ℃煅燒后得到的HAP 材料的SEM 圖

2.3.2 CNC 作為模板劑

付廣帥等[41]利用帶負(fù)電荷的CNC 作為模板，正硅酸乙酯（TEOS）作為硅源，添加陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）作為靜電吸引的橋梁， 采用溶膠-凝膠法使二氧化硅層層包裹在納米纖維素晶體表面，制備出納米纖維素/二氧化硅具有“核殼”結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料；并最終通過煅燒移除纖維素模板，從而得到中空二氧化硅管狀納米材料。Song等[42]采用納米纖維素CNC 和表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）作為雙模板制備二氧化硅納米管，其長(zhǎng)度約為100～150 nm，外徑在30～40 nm 范圍內(nèi)，殼層厚度約10～15 nm，比表面積可達(dá)1 182 m2/g。由于超高的比表面積和獨(dú)特的介孔結(jié)構(gòu)， 這種方法獲得的二氧化硅納米管具有許多潛在應(yīng)用。

Gruber 等[39]闡述了以[Pt（NH3）4]（HCO3）2鹽改性的CNC 作為模板劑制備了純二氧化硅和混合二氧化硅/氧化錫納米管。 Scheel 等[40]以CNC 為模板，采用溶膠-凝膠法制備了發(fā)光二氧化硅納米管和納米線。 在650 ℃下煅燒去除纖維素模板， 生成直徑為15 nm、長(zhǎng)度可達(dá)500 nm 的二氧化硅納米管（如圖5所示）。

圖5 纖維素晶須和煅燒得到的二氧化硅納米管的SEM 圖

2.3.3 其他納米纖維素作模板劑

細(xì)菌纖維素（BC）是一種由微生物產(chǎn)生的高分子聚合物[43]。細(xì)菌纖維素作為模板有純度高、制備簡(jiǎn)單、易獲得等優(yōu)勢(shì)。 BC 纖維表面有大量有序的羥基基團(tuán)，通過氫鍵作用、羥基反應(yīng)、表面改性可獲得與不同的金屬化合物或氧化物結(jié)合的功能性材料。 曾威等[44]以正硅酸乙酯（TEOS）為原料、利用具有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的細(xì)菌纖維素為模板制備了高產(chǎn)率、 尺寸均勻、超大長(zhǎng)徑比、具有較穩(wěn)定宏觀形貌的SiO2納米管。 Menchaca 等[45]介紹了一種以細(xì)菌纖維素納米帶為模板， 通過共沉淀法成功合成鈷鐵氧體納米管的簡(jiǎn)便方法。 以FeCl3·6H2O 和CoCl2·6H2O 溶液為混合前驅(qū)體， 細(xì)菌纖維素納米帶為生物模板劑。 然后將含有細(xì)菌纖維素納米帶的溶液在90 ℃下加熱3 h。這一過程有助于促進(jìn)可溶性初始金屬氫氧化物向不溶性金屬氫氧化物配合物的轉(zhuǎn)化， 這些配合物在后期轉(zhuǎn)化為CoFe2O4。 隨后將BC 轉(zhuǎn)移到1.2 mol NaOH 溶液中，在90 °C 下體系保持6 h。 BC 的顏色從橙色迅速變?yōu)楹谏?表明鈷鐵氧體的形成。 最后經(jīng)反復(fù)洗滌并干燥96 h 后得到鈷鐵氧體納米管。鈷鐵氧體納米管的微觀形貌如圖6 所示， 納米管的平均直徑為217 nm 且是由粒徑為26 ～102 nm 的CoFe2O4納米粒子團(tuán)簇形成的。

徐浩等[46]以資源豐富、價(jià)格低廉的家蠶絲蛋白為原料， 利用靜電紡絲技術(shù)制備了一維絲蛋白納米纖維，并以靜電紡絲蛋白納米纖維為硬模板，采用經(jīng)典的溶膠-凝膠法制備出二氧化硅/靜電紡絲蛋白纖維復(fù)合材料，煅燒去除掉硬模板后，獲得了中空介孔二氧化硅納米管。該材料被廣泛應(yīng)用于分子成像、藥物傳遞、傳感器等領(lǐng)域。

圖6 細(xì)菌纖維素及以BC 為模板不同區(qū)域的CoFe2O4 納米管的FE-SEM 圖[43]

3 纖維為模板劑制備納米管狀材料的應(yīng)用

3.1 催化領(lǐng)域

氫能作為一種清潔可持續(xù)能源具有非常廣闊的發(fā)展前景， 電分解水被認(rèn)為是產(chǎn)生高純度氫最有效的途徑。為了提高電解水系統(tǒng)的效率，需要開發(fā)具有高催化活性的催化劑[47]。 影響催化劑催化活性的兩個(gè)主要因素是催化材料的形貌結(jié)構(gòu)和電催化活性組分。 通過一定手段調(diào)控材料的形貌結(jié)構(gòu)可增大活性位點(diǎn)密度，從而提高催化劑的電催化性能。通過生物模板法構(gòu)建中空纖維管狀催化材料，可以增大催化材料的比表面積， 最大限度誘導(dǎo)其暴露更多活性位點(diǎn)[48]。 屈雙艷[49]以棉花（CF）作為生物模板，采用浸漬-煅燒兩步法制備了中空纖維結(jié)構(gòu)的催化材料，通過對(duì)煅燒溫度和模板用量的改變來調(diào)控材料形貌結(jié)構(gòu)和各組分含量， 從而提升材料在堿性電解液中析氫和析氧催化活性。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沒有添加CF的催化劑表現(xiàn)出較差的催化活性， 添加CF 不僅使材料獲得特殊的中空結(jié)構(gòu)， 還發(fā)揮多功能劑的作用使其生成了電化學(xué)活性組分， 共同提升了材料的電催化性能。

3.2 電化學(xué)領(lǐng)域

由于傳統(tǒng)鋰離子電池的碳基負(fù)極材料具有低理論容量的缺點(diǎn)， 開發(fā)新的負(fù)極材料取代碳基材料成為人們研究的熱點(diǎn)。 具有其高理論容量的過渡金屬氧化物就可作為其替代物。 例如天然纖維素可作為金屬氧化物的理想模板用于制備具有特定結(jié)構(gòu)的負(fù)極材料[50]。Kim 等[51]將靜電紡絲合成的自旋纖維作為模板劑， 通過煅燒處理制備了可作為電極負(fù)極材料的多孔SnO2/NiO 納米管（m-SNT）。 該納米管狀材料的空心內(nèi)腔縮短了Li+的傳輸距離，提供了更大的空間以緩解Li＋嵌入和脫出時(shí)的體積變化，且其多孔結(jié)構(gòu)可有效加速Li＋離子擴(kuò)散， 進(jìn)一步提高電化學(xué)性能。 在1 000 mA/g 的高電流密度下，m-SNT 負(fù)極材料的首次放電比容量為1 335 mAh/g、 初始庫侖效率為78%， 且在500 次循環(huán)后可逆比容量高達(dá)826 mAh/g。 王昆[52]以普通濾紙作為模板劑，通過層層自組裝結(jié)合碳化、煅燒處理、銀鏡反應(yīng)合成了分級(jí)納米管狀的MnO2/SnO2復(fù)合材料， 該復(fù)合材料具有的三維分層納米管結(jié)構(gòu)，能有效地減輕鋰離子插入/脫出過程中巨大體積變化并縮短了電子和離子傳輸?shù)臄U(kuò)散距離。 作為鋰離子電池負(fù)極材料，Ag-NP/MnO2/SiO2復(fù)合材料表現(xiàn)出較強(qiáng)的電化學(xué)性能， 具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和顯著的倍率性能。

4 總結(jié)與展望

近二十年來，納米技術(shù)日新月異，使得納米材料已應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。 無機(jī)納米材料以其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，在能源、催化、磁性存儲(chǔ)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。 無機(jī)納米材料的制備方法有很多， 其中生物模板法是借鑒和利用天然生物結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)制備特殊結(jié)構(gòu)材料的一條綠色、高效、便捷的新途徑，近年來一直備受關(guān)注。

纖維素是地球上最豐富的可再生天然高分子化合物，具有來源豐富、成本低廉、無毒無污染等特點(diǎn)。它是一種多羥基的高分子物質(zhì)， 從宏觀到分子層次的獨(dú)特階層結(jié)構(gòu)及納米級(jí)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使其可以作為模板劑引導(dǎo)納米晶體的生長(zhǎng)并形成各種功能材料。無機(jī)納米材料能精確復(fù)制自然纖維素的形貌， 最大限度地把其優(yōu)異性能(如多孔隙結(jié)構(gòu)和高內(nèi)表面積)引入到相應(yīng)的人造材料中去。然而，模板法也存在不足之處，例如在熱處理除去模板劑時(shí)，較高溫度會(huì)導(dǎo)致無機(jī)納米材料的結(jié)構(gòu)塌陷等。 如何在高溫去除模板劑的同時(shí)控制好煅燒條件， 得到結(jié)構(gòu)完整和性能優(yōu)異的納米管材料是目前亟待解決的問題之一。

此外，由于模板劑具有較差穩(wěn)定性，限制了在各個(gè)領(lǐng)域的使用范圍。然而，對(duì)生物模板劑進(jìn)行預(yù)處理改善其熱穩(wěn)定性可拓寬其使用范圍。 隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高和科技技術(shù)的發(fā)展， 以纖維為模板劑制備納米管狀材料的應(yīng)用將越來越廣泛。