纤维素衍生材料因其成本和环境友好的优势,已引起越来越多的关注和重视。随着纳米技术的发展,各种纳米纤维素的提取剥离和制备工艺为功能化纤维素衍生材料的制备奠定了基础。纳米纤维素的来源为自然界中广泛存在的植物、动物和细菌等生物质,其优异的力学性能、生物相容性以及可调控的自组装性决定了纳米纤维素本身在诸多领域如催化、能源储存与转化、功能性纸张、环境修复等方面都具有重要的应用。此外,多种纳米材料和纳米复合材料包括基于高分子聚合、金属、金属氧化物、无机-有机复合物和碳纳米材料的合成与制备都离不开纳米纤维素的参与。尽管研究人员在纳米纤维素材料的制备和应用方面已经取得了许多重要的进展,然而如何以纳米纤维素为一维结构单元模板,通过理性的设计、简捷高效的方法实现纤维素衍生纳米材料的制备,以及如何实现纤维素衍生纳米纤维的功能化,依然是目前亟需解决的关键科学问题。基于此,本论文对纤维素纳米纤维表面官能团调控和其模板效应进行了深入研究,实现了多种功能化纳米纤维以及相关的宏观气凝胶、薄膜材料等的制备,包括碳纳米纤维、金属-有机框架纳米纤维、非晶碳酸钙纳米纤维。其中纤维素衍生的超细碳纳米纤维气凝胶作为电极材料在超级电容器领域具有应用潜力;纤维素衍生的的金属-有机框架纳米纤维材料不仅能应用于污水处理和有机反应催化,以其为基础,还能制备用于气体分离的金属-有机框架连续晶体薄膜。此外,以纳米纤维素为模板,实现了常温下高长径比的非晶碳酸钙纳米纤维的快速制备。本论文的主要研究成果总结如下:1.通过对木质纳米纤维素(Wood-NFC)的热分解化学进行催化降解路线设计,开发了一种有效且可持续的方法,用于制造机械稳定的碳纳米纤维(CNFs)气凝胶。木材衍生的CNFs气凝胶具有导电的三维纳米纤维网络结构,具有较大的比表面积,并且作为超级电容器的无粘合剂电极材料具有广阔的发展前景。通过对纤维素的热解催化机理研究,将廉价的且地球资源富含的前体木质纤维素材料转化为高附加值的碳纳米纤维材料,这为绿色化学可再生材料的制备与未来发展提供了新的途径。2.以纳米纤维素为模板,发展了一种简便的模板法来合成各种一维金属-有机框架(MOFs)纳米纤维材料。MOFs纳米纤维材料保持了纳米纤维素的均匀性、高长径比、相互交联的网络结构以及很好的溶液分散性等特点,使得MOFs纳米纤维材料的溶液相加工得以实现,为更好地形成均匀的宏观MOFs薄膜或其他宏观材料提供了新的方法。通过溶液相加工技术,MOFs薄膜可在多种基底上制备,且具有良好的柔韧性。而薄膜的表征表明,MOFs纳米纤维具有较高的结晶度和多孔性,有利于快速去除有机小分子污染物和用作多相反应催化剂等。此外,连续流的合成策略保证了 MOFs纳米纤维的大规模生产。这一模板合成和溶液相加工的总体策略,伴随着具有高度柔性和可加工性的一维MOFs的新形态的出现,预示着MOFs工业化应用的新时代的到来。3.在纤维素衍生MOFs纳米纤维组装薄膜材料的基础上,发展了一种以薄膜表面MOFs纳米纤维为晶种二次生长法,合成了连续无缺陷的MOFs晶体薄膜材料。探索了这种MOFs晶体薄膜材料在气体分离领域的应用。4.以纳米纤维素(NFC)为一维模板,运用传统的气相扩散法合成了一维非晶碳酸钙(ACC)纳米纤维材料。为了实现非晶碳酸钙纳米纤维的快速合成,提出了一种新的多元醇溶剂合成法,在室温条件下,实现了具有相互交联网络的直径均一的ACC纳米纤维材料的简捷快速合成,给非晶碳酸钙纳米材料合成提供了新途径。同时,ACC纳米纤维的成功合成为基于碳酸钙的宏观薄膜或者块材的组装提供了材料基础。