納米纖維素的制備及其在電化學中的應用

嚴紅艷

（蘇州科技大學，江蘇 蘇州 215009）

1 納米纖維素的結構及其特性

1.1 納米纖維素的結構

天然纖維素是自然界中來源豐富、分布廣泛的一種生物可再生高分子材料之一，纖維素具有埃米級纖維素分子層，納米級纖維素晶體超分子層和原纖超分子結構層的三層結構。纖維素的結晶區(qū)和無定形區(qū)是相互交錯的，沒有鮮明分界線，通過一定方法除去無定形區(qū)、保留結晶區(qū)而提取出來的納米纖維素是一種擁有精細的納米結構、獨特的網絡結構的剛性棒狀纖維素，它的直徑小于100 nm，是纖維素中最小的物理結構單元。納米纖維素會隨著制備原料的種類和反應條件，如反應時間、反應溫度，反應物配比等的不同而呈現(xiàn)不同的形態(tài)[1]。

1.2 納米纖維素的特性

納米纖維素保留了天然纖維素大部分固有的特性，如密度低、優(yōu)異的生物可降解性、可持續(xù)再生性和生物相容性等，但也與天然纖維素有所不同，納米纖維素的結晶度比天然纖維素高，由于納米纖維素表面存在大量的纖維素分子鏈的斷裂點和小分子纖維素鏈段，它們相互之間排列疏松，不規(guī)整，形成的許多缺陷點使納米纖維素對熱的穩(wěn)定性比天然纖維素差，納米纖維素不僅具有很多納米粒子的特性，如高結晶度、超精細結構、高強度、高透明性、高楊氏模量、可長期穩(wěn)定分散在水中形成穩(wěn)定的膠體等[2]，而且具有很多其他高比表面積、大縱橫比、高結晶度、高表面活性和良好的流變學性質等優(yōu)異性能。納米纖維素因為高比表面積而具有的較強的側向吸附能力，使其可以廣泛應用于醫(yī)藥領域，如作為藥物載體制備緩釋藥物。納米纖維素的流變學性質，如觸變性、懸浮性、和穩(wěn)定性等使其可以應用于食品領域，如作為食品添加劑增強乳制品的懸浮穩(wěn)定性和乳化穩(wěn)定性。

2 納米纖維素的制備

目前國內外制備納米纖維素的方法有物理法（高速攪拌法、熱壓法、低溫壓榨法、高壓剪切法、溶劑澆鑄法和擠塑法等）、化學法（酸解和酶解）、生物法（微生物合成）和人工合成（酶催化和葡萄糖衍生物的開環(huán)聚合）。

2.1 物理機械法

物理機械法是利用物理的方法，如打漿法、低溫壓榨法和溶劑澆鑄法等將纖維素原料打碎，切斷纖維素，使纖維素發(fā)生細纖維化作用，然后再利用一定方法分離出具有納米尺度的纖維素納米晶體。物理機械法制備納米纖維素原料簡單，不需要化學試劑，反應廢料易處理，對環(huán)境影響小，但是機械法會用到的設備如研磨機、粉碎機、均化器和微流化器等對能源需求較大，過程中對器材設備要求也較高[3]。

2.2 化學水解法

無機酸水解法是制備納米纖維素的化學方法中最常用的一種制備方法。水解法是通過破壞纖維素原料中的無定形區(qū)，保留其結晶區(qū)的結構，分離出來的具有納米尺度和高結晶度的纖維素納米晶體。不同的水解條件會造成制備出來的纖維素納米晶體形狀、尺寸、粒徑分布和分散性的差異。無機酸水解法是通過硫酸或鹽酸等無機酸酸解使纖維素中的無定形區(qū)橫向分裂，保留結晶區(qū)，但是制備出來的纖維素納米晶體中會有大量的酸殘留，需要用大量去離子水反復抽濾，耗時長，反應物殘留廢料難回收處理。纖維素酶水解法利用酶的高選擇性對纖維素中無定形區(qū)結構進行水解，使纖維素發(fā)生切斷作用和細纖維化作用，降低纖維素的聚合度，分離出結晶區(qū)的晶體，是無機酸水解方法的綠色環(huán)保替代方法。

2.3 生物合成法

生物法制備納米纖維素是利用微生物合成的方法制備具有超微網狀纖維結構的細菌纖維素，能合成細菌纖維素的菌株種類很多，其中木醋桿菌合成細菌纖維素的能力最強。合成的細菌纖維素隨著菌株種類和生產條件的不同而呈現(xiàn)不同的結構。生物合成法制備出的細菌纖維素純度很高，有更好的生物相容性。生物法易于調控納米纖維素的晶型、結構和粒徑分布，對環(huán)境影響小，能耗低。

3 納米纖維素在電化學中的應用

3.1 在超級電容器中的應用

超級電容器是一種介于電解電容器和可充電電池之間的大容量、高功率密度、長工作壽命和綠色安全的電容器，超級電容器在普通的電容器基礎上調整了結構，優(yōu)化了旁路、去耦、儲能等方面性能，可以滿足負荷更大，更復雜的電路。納米纖維素的化學和電化學性很穩(wěn)定等特性，可以作為活性導電物的機械增強材料制備出孔徑分布合理、比表面積高、電化學性能高和機械性能良好的柔性導電材料，如納米纖維素復合氣凝膠、細菌纖維素基碳纖維和納米纖維素、碳納米管、納米銀線柔性電極材料等，以這種柔性導電材料作為電極的超級電容器具有成本低、性能好和環(huán)境友好等優(yōu)勢[4]。

3.2 在鋰硫電池中的應用

鋰硫電池是由正極硫和負極金屬鋰構成的具有高能量密度、成本低和綠色環(huán)保的二次儲能電源。納米纖維素合理的孔徑分布和高比表面積可以縮短鋰離子傳輸路徑、加速電子傳輸并增加電解質對電極材料的潤濕能力，因此由納米纖維素衍生的碳導電材料可以直接作為鋰硫電池的電極，也可以進一步開發(fā)納米纖維素和其他活性材料復合的碳導電材料作為鋰硫電池的電極，這種電極材料可以負載活性物質硫，抑制多硫化物擴散，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學穩(wěn)定性。納米纖維素不僅可以作為鋰硫電池的電極材料，還可以作為鋰硫電池的電極粘合劑和電池隔膜，如納米纖維素與軟木牛皮紙纖維和聚磺酰胺纖維制得的多孔復合膜具有高耐熱性且可以增強電解質的吸收，從而提高鋰硫電池的庫侖效率和比容量[5]。

3.3 在傳感器中的應用

傳感器是一種檢測環(huán)境中的事物或變化并將信息發(fā)送給其他電子設備的設備、模塊或子系統(tǒng)，通過自我檢測和自動控制實現(xiàn)微型化、數(shù)字化和智能化。納米纖維素具有的獨特結構、納米尺度和特殊的光學性質，從而可以成為制備傳感器的材料，如柔性銀納米線、纖維素納米纖維導電復合納米紙具有基底平整，透明和比表面積大等優(yōu)點，可以提高傳感器的選擇性和靈敏度，使傳感器更好地應用于更多領域。

4 納米纖維素的發(fā)展前景

隨著人口的增長，科技的進步，人們對能源和資源的需求越來越大，然而石油、煤和天然氣等不可再生資源的儲量不斷下降，日漸枯竭，納米纖維素作為一種來源廣泛、性能優(yōu)異、環(huán)境友好可再生資源受到了各界的廣泛關注，納米纖維素因為其優(yōu)異的化學和電化學穩(wěn)定性在電化學領域成為了研究前沿和熱點。納米纖維素不僅可以應用于超級電容器、鋰硫電池、傳感器、鋰離子電池和電池隔膜等電化學領域，還可以廣泛應用于醫(yī)學、食品工業(yè)、磁性材料、催化劑、環(huán)保、紡織和機械等領域。從納米纖維素的特性和應用可以預測，將來在電化學領域的應用極其廣泛。納米纖維素的制備正在朝著綠色、安全、高效方向發(fā)展，成本較其他無機納米材料低得多，對環(huán)境保護和促進國家經濟發(fā)展有著重要意義。納米纖維素有著無限商機和美好發(fā)展前景，它的科研價值和市場價值不可估量。