传统透明气凝胶存在脆性大、透光率与力学性能难以兼顾的问题，限制其在节能窗的应用。本研究以TEMPO 氧化纤维素纳米纤丝（CNF）为原料，采用H⁺、Ca²⁺、Al³⁺不同价态离子交联，结合溶剂置换与超临界 CO₂干燥，制备 CNF/PMMA 透明气凝胶。离子价态显著调控结构与性能：Al³⁺通过强配位键构建均匀稳定网络，收缩率仅 1.21%，孔隙率 98.71%，气凝胶透光率更高、雾度更低；H⁺以氢键交联，网络弱，出现表面致密、内部疏松的异质结构，收缩率达 5.71%；Ca²⁺性能居中。最优 Al³⁺交联气凝胶可见光透过率 72.92%，导热系数低至22.5 mW·m⁻¹·K⁻¹，低于静态空气，同时具备疏水性（接触角 126.5°）与良好力学性能。兼具高透明、超隔热、疏水稳定，为建筑节能透明窗提供高效新材料。

Part 2 创新点

1. 离子价态精准调控：首次系统对比一 / 二 / 三价离子交联，揭示价态与网络强度、结构均匀性的定量关系。

2. 强键合抑制收缩：Al³⁺多配位键显著降低干燥收缩，保持孔结构均匀，突破传统氢键气凝胶塌陷难题。

3. 透明 - 隔热协同：实现高透光（72.92%）、低雾度与超隔热（22.5 mW・m⁻¹・K⁻¹）统一，优于多数纤维素气凝胶。

4. 疏水改性：PMMA 包覆将亲水 CNF 变为疏水（126.5°），提升环境稳定性。

5. 结构 - 性能机制清晰：阐明离子价态→网络强度→收缩均一性→光学 / 隔热 / 力学的构效关系。

Part 3 制备流程

1. CNF 分散液制备：将 TEMPO-CNF 分散于去离子水，配置 0.3、0.6、0.9 wt% 分散液，超声均匀。

2. 离子交联水凝胶：分别喷涂 HCl、CaCl₂、AlCl₃溶液，室温交联 12 h；水洗至中性，得到 CNF 水凝胶。

3. 溶剂置换与 PMMA 浸渍：乙醇梯度置换→丙酮置换→浸入 0.75 wt% PMMA 丙酮溶液，充分浸渍。

4. 超临界干燥：50 ℃、12 MPa 超临界 CO₂干燥，得到透明 CNF/PMMA 气凝胶。

5. 结构与性能测试：SEM、XRD、FTIR、XPS、SAXS 表征结构；测试透光率、雾度、压缩强度、导热系数、接触角等。

图 1 制备流程与光学性能

概要：本图展示气凝胶制备路径与光学特性。a 流程：CNF 分散→离子交联成水凝胶→溶剂置换→PMMA 浸渍→超临界干燥得到透明气凝胶。离子交联机制：H⁺质子化羧基形成氢键；Ca²⁺、Al³⁺通过离子键 / 配位键桥接羧基。b–e 实物图显示气凝胶高透明，可清晰呈现背后文字，激光可穿透。f 透过率 - 雾度曲线表明，离子价态越高，透光越高、雾度越低：550 nm 处 Al³⁺样品透过率 72.92%、雾度 49.98%；Ca²⁺为 65.69%、61.97%；H⁺仅 56.44%、84.01%。原因是 Al³⁺强交联使收缩均匀、折射率分布一致，光散射弱；H⁺网络不均，散射强。证实离子价态决定性影响光学性能，为透明窗材料提供最优选型。

图 2 表面形貌与结构机理

概要：本图揭示离子价态对微观结构的调控。a–c 不同放大倍数 SEM 显示：H⁺交联气凝胶表面致密，Ca²⁺适中，Al³⁺保持多孔疏松。d 机理：Al³⁺强配位键抵抗溶剂交换毛细管力，收缩小、结构均匀；H⁺氢键弱，发生不均收缩，形成表面密内部松的梯度结构；Ca²⁺介于两者之间。e PMMA 通过羰基与纤维素羟基形成氢键，包覆在 CNF 表面，赋予气凝胶疏水性。EDS mapping 证实离子均匀分布，交联充分。结构差异直接决定光学、力学与隔热差异，证明离子价态通过调控网络均匀性实现性能定制，是实现高透明超隔热的关键。

图 3 水凝胶与气凝胶力学性能

概要：本图对比交联离子对力学的影响。a–c 水凝胶压缩曲线：CNF 浓度升高，强度提升；相同浓度下，Al³⁺水凝胶强度显著高于 Ca²⁺、H⁺，源于高价态强交联。d 水凝胶 50% 应变发生断裂。f–h 气凝胶压缩曲线：与水凝胶相反，H⁺气凝胶强度最高（139.6 kPa），Al³⁺为 91.2 kPa，Ca²⁺最低。e 气凝胶 50% 应变保持完整。原因：H⁺网络不均收缩，结构致密化，强度上升；Al³⁺保持高孔隙，强度适中。揭示水凝胶强度由键能决定，气凝胶强度由致密化程度决定，为力学 - 结构平衡提供指导。

图 4 化学组成、孔结构与疏水热稳定

概要：本图全面表征物化性能。a FTIR 显示纤维素特征峰与 PMMA 的 C=O 峰，证实复合成功。b 对比纯 CNF、PMMA 与复合气凝胶，确认 PMMA 包覆。c–d XRD 显示纤维素 I 型晶型保留，结晶度随离子价态升高降低：H⁺>Ca²⁺>Al³⁺。e–f XPS C1s 谱证明 PMMA 成功接枝。g N₂吸附表明 Al³⁺气凝胶比表面积最高（387.87 m²・g⁻¹），介孔丰富。h 水接触角：Al³⁺（126.5°）>Ca²⁺（125.3°）>H⁺（122.4°），均疏水。i TGA 显示三种气凝胶热稳定至 200 ℃，高价离子体系更稳定。j–m SAXS 表明离子交联不改变纤维各向同性，Al³⁺网络更紧密均匀。

图 5 冷热台隔热性能

概要：本图验证气凝胶实际隔热效果。a 红外热成像：50 ℃热台上，夹气凝胶的双层玻璃升温远慢于空白。b 测试装置：样品置于 50 ℃热台与 0 ℃冷台之间。c 冷台下，气凝胶夹层样品降温显著放缓。d–g 温度曲线：加热时，空白玻璃上表面快速升至 47 ℃，气凝胶样品仅 31 ℃；冷却时，空白快速降至 3 ℃，气凝胶样品保持 15 ℃。温差最高达 14 ℃，证明优异隔热。机理：纳米孔产生克努森效应，抑制气相导热；三维网络降低固相传导，实现高效隔热。直接证明可用于建筑窗隔热节能。

图 6 建筑模型与隔热机理

概要：本图展示应用场景与隔热机制。a 透明气凝胶中空窗示意图。b–c 模拟日光照射：夹气凝胶窗户透光柔和，室内更暗暖。d 室内温度曲线：空白模型快速升至 35 ℃，气凝胶模型稳定在 30 ℃，降温显著。e 导热系数：Al³⁺气凝胶 22.5 mW・m⁻¹・K⁻¹，低于空气（26.7），Ca²⁺与 H⁺略高。f 对比文献，本气凝胶在相近密度下导热最低。g 隔热机理：多级孔结构限制空气对流，纳米孔触发克努森效应，高孔隙延长热路，固相、气相、辐射传热三重抑制，实现超隔热。

Part 5 全文总结

本研究通过不同价态离子交联策略，制备兼具高透明、超隔热、疏水稳定的 CNF/PMMA 气凝胶。离子价态决定网络强度与结构均匀性：Al³⁺强配位键使收缩率低至 1.21%，结构均一，透光率 72.92%、雾度低，导热系数 22.5 mW・m⁻¹・K⁻¹；H⁺氢键网络弱，不均收缩，透光差、强度高；Ca²⁺性能居中。PMMA 改性赋予疏水性（126.5°），提升环境适应性。材料在冷热台与建筑模型测试中表现优异，可显著降低室内温升，隔热性能优于静态空气。研究首次阐明离子价态→收缩均一性→光学 - 力学 - 隔热的构效关系，提供可控制备高性能透明气凝胶的新方法，为建筑节能窗、透明热防护提供轻量化、高效能、绿色环保的理想材料。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.175292.

引用：Y. Li, Y. Han, L. Zhang, S. Li, S. Lyu, Transparent nanocellulose-based aerogels for thermal superinsulation via ion cross-linking, Chem. Eng. J. 535 (2026) 175292. 

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