具有热超绝缘性能的纳米纤维黄原胶气凝胶

本研究以黄原胶为原料，通过金属离子交联结合超临界CO₂干燥制备纳米多孔气凝胶，具有高比表面积（391 m²/g）、超低热导率（17.0 mW/m·K）及优异力学性能（压缩模量2.75 MPa），为环保节能材料开发提供新策略。

刘文晓|周宇迅|刘迪|王金斌|孙志芳

中国湖南省湘潭市湘潭大学材料科学与工程学院，教育部低维材料与应用技术重点实验室，邮编411105

摘要

基于多糖的气凝胶具有高孔隙率、低密度、优异的生物相容性和可调的功能性，因此在许多应用领域具有吸引力。在本研究中，利用黄原胶（XG）通过金属离子交联制备了具有精细纳米纤维结构的纳米多孔气凝胶，随后经过溶剂交换和超临界CO₂干燥处理。所得到的XG气凝胶具有高比表面积（391 m²·g⁻¹）、超高孔隙率（98.7%）和低密度（0.059 g·cm⁻³），其热导率低至17.0 mW·m⁻¹·K⁻¹。坚固的交联网络还赋予了其优异的机械性能，压缩模量为2.75 MPa。疏水处理使其能够适应更广泛的环境条件。这些特性使得XG气凝胶成为节能和环境保护领域中具有前景的高性能隔热材料。

引言

气凝胶是一种新兴的轻质多功能材料（Mishra等人，2025年），由于其独特的纳米多孔网络结构，在众多领域展现了非凡的应用潜力（Takeshita等人，2025年；Wei等人，2022年），吸引了全球科学家的广泛关注。其高孔隙率、低密度和高比表面积的特点使其在航空航天、建筑能效和环境修复等高端应用中发挥着不可替代的作用（Jaouahar等人，2025年；Karamikamkar等人，2024年；Zhang等人，2019年）。

随着全球对可持续发展和环境保护的日益重视，绿色、可再生和环保型气凝胶材料的研究已成为材料科学领域的热点（Ashrafi等人，2022年；Ge等人，2025年）。多糖作为自然界中广泛存在的天然聚合物，具有可再生性、良好的生物相容性和生物降解性等优点，使其成为制备新型气凝胶的理想原料。多糖气凝胶不仅继承了传统气凝胶的优点，还具备来源广泛、环境友好和优异的生物相容性等独特优势（Seddiqi等人，2021年；Wang等人，2019年）。例如纤维素气凝胶（Wang等人，2024年）、壳聚糖气凝胶（Paul等人，2024年）、海藻酸钠气凝胶（Shi等人，2024年）和淀粉气凝胶（Druel等人，2017年）在隔热、生物医学、环境修复和能量存储等领域展示了广泛的应用前景（Chen等人，2024年）。

黄原胶（XG）是由Xanthomonas campestris合成的一种胞外细菌多糖，具有生物相容性和生物降解性（Kumar等人，2024年；Santo等人，2021年）。其主链由1,4-连接的β-D-葡萄糖残基组成，每隔一个葡萄糖单元上连接一个三糖侧链（β-D-甘露糖-β-D-葡萄糖醛酸-α-D-甘露糖）（Shalviri等人，2010年）。XG的水溶液即使在低浓度下也能形成高粘度的胶体，并表现出假塑性行为。由于其理想的流变性能、高粘度和在广泛pH及盐浓度范围内的稳定性，XG被广泛用作食品、化妆品和营养保健品中的增稠剂或粘度调节剂（Palaniraj & Jayaraman，2011年）。然而，由于其分子间相互作用较弱且非共价，XG在任何浓度下都无法形成稳定的物理凝胶（Bresolin等人，1998年）。在XG气凝胶的研究中，Liu等人制备了用于水净化的定向黄原胶-氧化石墨烯杂化气凝胶（S. Liu等人，2017年）；而Li等人开发了一种高吸收性的抗菌魔芋葡甘露聚糖/黄原胶/竹纤维气凝胶用于食品保鲜（Li等人，2025年）。然而，上述所有基于XG的气凝胶都是大孔复合气凝胶材料，尚未有报道关于具有纳米纤维和纳米孔的纯XG气凝胶的研究。

在本研究中，我们假设通过XG溶液与金属离子（K⁺、Ca²⁺、Al³⁺和Zr⁴⁺）的交联可以形成稳定且完整的水凝胶。通过直接溶剂交换和超临界CO₂干燥，制备出了具有细纳米纤维和纳米孔的XG气凝胶，该气凝胶具有高比表面积、优异的机械性能和隔热性能。这为制备基于XG的隔热气凝胶提供了一种新颖且简便的方法，并扩展了其应用范围。

材料

所使用的黄原胶的分子量为3.7 × 10⁵ g mol⁻¹，乙酰化度为38%，吡喃糖基化度为47%，纯度≥95%，粒径为80目，葡萄糖、甘露糖和葡萄糖醛酸的比例约为5:4:1，分子量通过凝胶渗透色谱法（GPC）测定，乙酰化度和吡喃糖基化度通过核磁共振（Ruiz-Caldas等人，2024年）确定，单糖组成通过离子色谱系统分析确定。详细信息见...

XG气凝胶的制备机制

XG气凝胶的形成过程如图1(a)所示。通常情况下，XG无法通过传统的凝胶化方法形成水凝胶（Iijima等人，2007年）。如图1(c)所示，葡萄糖醛酸残基上的羧基和吡喃糖基团使XG成为一种阴离子多糖（Callet等人，1987年）。侧链上的羧基可以与金属离子相互作用，在多价离子如Ca²⁺、Fe³⁺、Al³⁺和Zr⁴⁺的作用下发生交联...

结论

本研究开发了一种简便高效的方法，通过金属离子交联和超临界CO₂干燥制备了具有纳米纤维网络结构的XG气凝胶。所得XG气凝胶表现出优异的性能，包括极低的密度（0.018–0.118 g·cm⁻³）、高比表面积（271–391 m²·g⁻¹）和极高的孔隙率（91.2–98.7%）。这种连续的纳米多孔结构使其具有超低的导热性能...

作者贡献声明

刘文晓：撰写——原始稿件、方法论、概念设计。周宇迅：方法论。刘迪：方法论。王金斌：验证、监督、资金获取。孙志芳：撰写——审稿与编辑、验证、监督、方法论、资金获取、概念设计。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：21905002）、湘潭大学的先进气凝胶项目启动资金（项目编号：84KZ-KZ08086）以及湘潭大学研究生科研创新项目（项目编号：XDCX2024Y272）的财政支持。