高等学校化学学报 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (5): 1407.doi: 10.7503/cjcu20200870
符金洲1, 王汉伟2, 李莹莹2, 王超2, 李彩彩2, 孙庆丰2(
), 李会巧1()
收稿日期:2020-12-16
出版日期:2021-05-10
发布日期:2021-03-24
通讯作者:
孙庆丰,李会巧
E-mail:qfsun@zafu.edu.cn;hqli@hust.edu.cn
基金资助:
FU Jinzhou1, WANG Hanwei2, LI Yingying2, WANG Chao2, LI Caicai2, SUN Qingfeng2(), LI Huiqiao1()
Received:2020-12-16
Online:2021-05-10
Published:2021-03-24
Contact:
SUN Qingfeng,LI Huiqiao
E-mail:qfsun@zafu.edu.cn;hqli@hust.edu.cn
Supported by:摘要：
探寻绿色清洁的资源与材料以维持高效的社会经济增长是未来数十年人们面临的最大挑战之一. 可持续资源与绿色材料的开发是降低传统化石能源与材料比重的最有前途的方案. 纤维素作为一种可持续发展、 可生物再生、 储量丰富且低成本的天然高分子聚合物, 在众多领域中具有广泛的应用, 并且纤维素可以加工成各种构型, 包括气凝胶、 泡沫、 海绵和薄膜等. 本文介绍了不同形态的纤维素及其衍生物组装而成的功能膜在能源与环境中的应用, 综述了微纳米纤维素及其衍生物在先进功能化储能器件方面的最新进展和制备方案, 以及在用于水处理的膜分离技术中的应用, 其中重点讨论了微纳米纤维素及其衍生物功能膜在电池、 电容器及水处理等领域中的作用, 如隔膜、 柔性电极膜和分离膜等. 此外, 还对纤维素及其衍生物功能膜的未来发展进行了总结和展望.
中图分类号:
TrendMD:
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Fig.1 Hierarchical structure, improvement, assembly and application of micro/nanocellulose
Fig.2 Schematics of assembly, vacuum filtration(A), phase inversion or casting(B), electrospinning(C) and freeze?drying(D)
Fig.3 Schematic diagram showing the summarized advantages of the cellulose for energy storage applications
Fig.4 Cellulose?based membranes(A) Design of cellulose micro/nanofiber membrane with its surface structure and mechanical properties[48]; Copyright 2019, Wiley. (B) Design of cellulose nanofiber membrane with its surface structure and thermodynamic properties[49]; Copyright 2019, National Academy of Sciences. (C) Design of nanocellulose membranes with their surface structures and their alkaline resistance[50]; Copyright 2019, Wiley. (D) Design of modified cellulose membrane with its surface structure and pore structure[51]; Copyright 2018, American Chemical Society.
Fig.5 Cellulose?based composite membranes(A) Cellulose/multi?dimensional functional materials composite membrane with its construction mechanism and improvement of mechanical properties[56]; Copyright 2017, Wiley. (B) Cellulose/functional polymer composite membranes with theirstructural character and improvement in ionic conductivity[57]; Copyright 2015, American Chemical Society. (C) Asymmetric cellulose composite membrane with its structure design and rectification characteristics for electrodes[59]; Copyright 2019, Elsevier.
Fig.6 Functional applications of cellulose?based membranes and composite membranes(A) Application in Li?S batteries[60]; Copyright 2018, Wiley. (B) Lithium/sodium metal batteries[62]; Copyright 2016, American Chemical Society. (C) High temperature Li?ion batteries[63]; Copyright 2018, Wiley. (D) All solid state batteries[56]; Copyright 2017, Wiley.
Fig.7 Cellulose?based composite electrode membranes(A) Micro/nanocellulose acted as binder for the design of flexible electrodes[64]; Copyright 2018, Wiley. (B) Fiber?liked electrode based on the self?deforming of the cellulose, in which active materials are coated within the cellulose fibers[68]; Copyright 2020, Royal Society of Chemistry.
Fig.8 Cellulose?based functional composite electrode membranes(A) Flexible foldable composite electrodes[69]; Copyright 2019, American Chemical Society. (B) Composite electrodes with enhanced conductivity[70]; Copyright 2019, Elsevier. (C) High?performance sulfur cathode in which sulfur NPs are coated within the cellulose fibers[72]; Copyright 2018, Elsevier.
Fig.9 Cellulose?based functionalized energy storage devices(A, B) Self?healing devices[73]; Copyright 2012, American Chemical Society. (C, D) Stretchable devices[74]; Copyright 2019, Wiley. (E, F) Electrode/diaphragm integrated devices[75]; Copyright 2017, Wiley. (G, H) Microdevices[76]; Copyright 2019, Wiley.
Fig.10 Conventional preparation methods, mechanisms and applications of cellulose?based membranes(A) Mechanisms and applications; (B) integration; (C) surface modification; (D) thin?film composite(TFC).
Fig.11 Fully cellulose?based membranes(A1, A2) TCNCS membrane[79]; Copyright 2016, Elsevier. (B1, B2) Ultrafine CNF membranes[81]; Copyright 2015, Wiley. (C1, C2) CNC/CNF/CNC multi?layered membranes[83]; Copyright 2016, Elsevier. (D1, D2) CA/LCNFs composite membranes[84]; Copyright 2020, Elsevier.
Fig.12 Integration of cellulose?based membranes and various dimensions materials(A, B) CA/TiO2 hybrid membranes[88]; Copyright 2011, Elsevier. (C, D) TCNC/PGS nanoporous membranes[89]; Copyright 2018, American Chemical Society. (E, F) TOCNF+GO biohybrid membrane[91]; Copyright 2017, American Chemical Society. (G, H) Pd/GO/BNC membrane[92]; Copyright 2018, Wiley. (I, J) SF?CNF membranes[93]; Copyright 2017, American Chemical Society. (K, L) F?PBZ/SiO2 NPs modified CA nanofibrous membranes[94]; Copyright 2012, Royal Society of Chemistry.
Fig.13 Surface modification of cellulose?based membranesGrafting: (A, B) BC membranes grafted with EDTA[95]; Copyright 2018, Elsevier. (C) Deacetylated CA membranes grafted with PMDA[97]; Copyright 2015, Royal Society of Chemistry. Coating: (D) cellulose/SiO2/MPTMS membranes(silica coating)[100]; Copyright 2017, Elsevier. (E) LDH/cellulose membranes(LDH coating)[101]; Copyright 2018, Elsevier. (F) CA membranes coated with Chitin nanocrystals[104]; Copyright 2016, Elsevier. Functionalization: (G, H) the functionalization of A4?sized printing paper[105]; Copyright 2020, American Chemical Society.
Fig.14 Thin?film composite(TFC) membranesActive layer: (A) cellulose nanosheet/CA membranes[109]; Copyright 2014, Royal Society of Chemistry. (B) PA/CNC/PES triple?layered TFC membranes[110]; Copyright 2017, Royal Society of Chemistry. (C) COF@CNFs/PAN membrane[111]; Copyright 2019, Springer Nature. Support layer: (D) CAP microporous substrates[113]; Copyright 2012, American Chemical Society.
Fig.15 Cellulose and its derivatives serve as additives(A, B) CNC/chitosan fully biobased menbranes[118]; Copyright 2014, Elsevier. (C, D) NCC?incorporated PVDF?HFP membranes[119]; Copyright 2013, Elsevier. (E, F) CAPh/PPSU hollow fiber membranes[121]; Copyright 2019, Elsevier. (G) CMC hydrogel?functiona? lized meshes[122]; Copyright 2019, American Chemical Society.
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