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密西西比州立大學張雪峰與EI Barbary Hassan課題組在納米纖維素與納米甲殼素復合水凝膠制作方面取得進展
2019-12-24  來源:高分子科技

  氣凝膠一般是由水凝膠通過超臨界干燥或者冷凍干燥脫水而獲得,因此開發簡單有效的纖維素和甲殼素水凝膠制備方法就顯得至關重要。直接溶解纖維素和甲殼素可以獲得水凝膠,但是目前僅有幾種溶液可以溶解纖維素和甲殼素,而且這些溶液具有一定的危險性和毒性,因此這種方法很難被廣泛應用。另一方面,通過合適的凝膠反應,納米纖維素和納米甲殼素分散液也可以被轉化為水凝膠;瘜W凝膠方法可以制備高強度水凝膠,但是化學交聯劑同樣存在危險性和毒性問題。物理凝膠方法例如通過超聲、溶液酸堿性調節、溶液置換、以及熱處理同樣可以制備水凝膠,但是這種方法存在操作復雜和耗時耗能等一系列問題。因此,如何設計和開發出一種簡單易得的纖維素和甲殼素水凝膠制作方法非常重要。

  針對這一問題,密西西比州立大學張雪峰助理教授與EI Barbary Hassan副教授課題組,開發了一種簡單有效的獲取纖維素和甲殼素復合水凝膠的方案。通過TEMPO氧化處理,獲得表面帶有負電荷的納米纖維素;通過局部脫乙;磻,獲得表面帶有正電荷的納米甲殼素。依靠納米纖維素和納米甲殼素之間的靜電引力,兩種納米纖維可以在水分散液中進行‘自組裝’,從而形成復合水凝膠。冷凍干燥后,可以獲得纖維素和甲殼素復合氣凝膠,由于表面多種官能團存在,復合氣凝膠表現出很好的吸附效果,可以作為一種綠色高效的吸附劑用于水凈化。

  這種方法的優點包括:1. 簡單便捷,由于納米纖維間靜電力的存在,將兩種分散液混合后,水凝膠可以通過‘自組裝’在一分鐘內形成;2. 綠色環保,這種方法避免了危險性化學交聯劑的使用;3. 普遍適應性,這種靜電力誘導‘自組裝’的方法同樣適用于其它生物質大分子水凝膠的制作。

圖1. (a-b) TEMPO氧化反應獲得表面帶負電荷的的納米纖維素;(c-d) 局部脫乙;磻@得表面帶正電荷的納米甲殼素;(e)靜電力誘導‘自組裝’形成復合水凝膠;(f-g)冷凍干燥后獲得輕質(f)、多孔(g)復合氣凝膠。

圖2. (a-e) 復合水凝膠制作過程;(f-g) 納米纖維分散液初始濃度對水凝膠產率的影響;(h-i) 納米纖維素與納米甲殼素質量配比對水凝膠產率的影響。

圖3. (a) 在不同溶液pH下,復合氣凝膠的XPS譜圖 ;(b) 不同pH環境下納米纖維素與納米甲殼素之間的離子鍵和氫鍵連接。

圖4. (a)復合 水凝膠和氣凝膠吸附亞甲基藍;(b-c) 不同pH條件下,氣凝膠對亞甲基藍(b)和三價砷(c)的吸附。 

圖5. (a-c) 復合氣凝膠對亞甲基藍的吸附動力學(a),等溫線(b),及與其它材料吸附效果的對比圖(c);. (d-f) 復合氣凝膠對三價砷的吸附動力學(a),等溫線(b),及與其它材料吸附效果的對比圖(c)。

圖6.  復合氣凝膠對亞甲基藍的多次吸附效果。

  近期,該成果以Biohybrid Hydrogel and Aerogel from Self-Assembled Nanocellulose and Nanochitin as a High-Efficiency Adsorbent for Water Purification為題發表于《ACS Applied Materials & Interfaces》(DOI: 10.1021/acsami.9b15139),密西西比州立大學張雪峰助理教授為論文通訊作者和第一作者,EI Barbary Hassan副教授為論文共同通訊作者。該課題得到美國農業部國家林產品實驗室基金(G00002749)支持。

  論文鏈接:

  X. Zhang, I. Elsayed, C. Navarathna, G.T. Schueneman, E.B. Hassan, Biohybrid Hydrogel and Aerogel from Self-Assembled Nanocellulose and Nanochitin as a High-Efficiency Adsorbent for Water Purification, ACS Appl. Mater. Interfaces. 11 (2019) 46714–46725. 

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b15139

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(責任編輯:xu)
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