在全球提倡绿色环保发展的背景下，利用储量丰富、价格低廉、绿色环保的生物质资源作为气凝胶的前驱体已成为发展趋势。与传统的气凝胶材料相比，利用天然的生物质材料制备的气凝胶，不仅兼具了传统气凝胶的大比表面积、高孔隙率、低密度以及三维互连的多孔网络结构等特点，还具有生物降解性、可再生性并且表面易于改性等优势，是一种环境友好型多功能材料。可应用于保温隔热、生物医学、储能、吸附与分离和催化等领域。
齐鲁工业大学（山东省科学院）材料科学与工程学部气凝胶材料创新团队采用羧甲基纤维素钠（CMC）为原料，与PVA混合作为前驱体溶液，将具有高吸附能力的beta-分子筛作为功能颗粒，通过定向冷冻干燥工艺设计组装出具有定向多孔结构的整体块状复合气凝胶作为CH4吸附材料，解决了粉末吸附剂的弊端。同时，对beta-分子筛/CMC/PVA（beta/CP）复合气凝胶吸附材料的结构、形态和表面性能进行了表征，系统研究了复合气凝胶对CH4气体的吸附储存性能。
图1 (a) CP气凝胶；(b) beta-分子筛；(c) beta/CP-2； (d) beta/CP-4； (e) beta/CP-6 ；(f) beta/CP-8的SEM图
如图1（a）所示，由于定向冷冻过程中冰晶的生成，CP气凝胶呈现出具有定向排列的孔隙结构。在冷冻干燥过程后，CP气凝胶可以为beta-分子筛颗粒在气凝胶骨架中的超高负载提供良好的支撑。由图1（c-f）所示，beta-分子筛均匀地被组装于CP气凝胶孔道结构的表面之上。因此，当beta-分子筛负载到 CP气凝胶上之，使孔隙结构得到充分的暴露，大大提高了孔隙利用率，进而提高了样品的气体吸附能力。与此同时，孔壁间的孔隙结构可以作为气体输送和散热的通道。
图2. CP气凝胶，beta-分子筛和beta/CP-N复合气凝胶(a)N2吸附-脱附等温线；
(b)孔径分布
图3 beta-分子筛和beta/CP复合气凝胶的CH4吸附曲线和承受砝码重量的照片
从图2可以看出加入适量的beta-分子筛后，使复合气凝胶的微孔体积增大，且均匀地分布在孔道结构的表面，使复合气凝胶形成分级多孔结构，并产生的微孔吸附和大/中孔传输的协同作用。复合气凝胶所增加的比表面积和微孔孔体积可为 CH4气体提供了更大的接触面积和储存空间，以确保更大的吸附能力。而存在的大/中孔可以充当气体通道，不仅能将CH4气体输送到微孔的界面，还可以扩散吸附过程中产生的热量来减少吸附阻力。
从图3可以看到beta/CP-4可承受200 g重量砝码放在其顶部没有任何形变。本研究将具有吸附能力的beta-分子筛粉末颗粒转化成具有优异机械性能的整体块状吸附剂，这直接表明 beta/CP复合气凝胶具有优异的机械强度，即使在高压气体通量下进行吸附也不会发生破碎，也表明其在实际应用中的潜力。
上述成果“Carboxymethyl cellulose/polyvinyl alcohol composite aerogel supported beta molecular sieve for CH4 adsorption and storage”发表在国际知名期刊《Carbohydrate Polymers》上。齐鲁工业大学（山东省科学院）材料学部2020级研究生孙金强为文章的第一作者，气凝胶材料创新团队张晶副研究员和伊希斌研究员为文章的共同通讯作者。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2023.121246