开发环境友好型新材料已成为全球性共识,生物质材料的合理开发和利用受到广泛关注。纤维素广泛存在于生物质材料的细胞壁中,经化学纯化和纳米解纤化处理,可将纳米纤维素(CNF)从生物质材料的细胞壁中剥离出来,再经过冷冻干燥处理可制备轻质多孔气凝胶材料。通常,气凝胶由无机材料,如二氧化硅等制成,但是二氧化硅气凝胶较脆并且易碎,即使在较低的拉伸或压缩应力下也容易破裂。近年来,纤维素气凝胶备受关注。但是,传统的纤维素气凝胶存在热稳定性差、弹性低等缺陷,这大大限制了纤维素气凝胶的综合应用。在本研究中,我们分别从棉花、木材、竹材和稻秸四种不同类型的生物质材料中制备高长径比的纳米纤维素,以纳米纤维素为基本构筑单元制备气凝胶。通过对比气凝胶的结构与性能差异,明确不同生物质衍生的纳米纤维素在构筑气凝胶过程中的相关科学机理,以期为开发结构性能优异的纳米纤维素气凝胶材料建立一定的科学基础。所取得的主要研究成果总结如下:(1)研究了从不同生物质原料中制备的纳米纤维素的结构与性能差异:以棉花为原料制备的纳米纤维素(Co-CNF)的α-纤维素含量接近100%,而木材、竹材和稻秸纳米纤维素(Wo-CNF、Ba-CNF和Rs-CNF)中的α-纤维素含量分别为83.6%、84.3%和82.1%。Co-CNF 的数均聚合度为 2270,高于 Wo-CNF(1910)、Ba-CNF(1690)和Rs-CNF(1880)。在流变性能分析过程中,所有纳米纤维素水悬浮液均表现出弹性行为,并且其流变性能几乎不受温度影响;(2)通过对四种纳米纤维素气凝胶的力学性能对比研究,发现源于0.5wt%的纳米纤维素水悬浊液制备出的气凝胶具有相对较高的比压缩强度和模量。棉花、木材、竹材和稻秸纳米纤维素气凝胶(CoNA-05、WoNA-05、BaNA-05和RsNA-05)的比压缩强度分别为10.5、16.3、14.1和12.6 MPa·g-1·cm3。CoNA-05具有更高的柔韧性和弹性,循环压缩20次后仍可回弹至原始高度的～70%,而其它三种气凝胶的弹性则相差甚远;(3)通过对四种纳米纤维素气凝胶的热学性能对比研究,发现所有纳米纤维素气凝胶的热降解温度均在300℃以上。因CoNA-05中几乎不含半纤维素,CoNA-05展现出最高的热稳定性,在空气、氮气中的热降解温度分别为318.8℃和333.2℃。纳米纤维素气凝胶的热导率随着孔隙率的上升而下降。在25℃时,CoNA-05的导热率为0.0442 W·m-1 K-1,此温度下的热导率与其它三种气凝胶相差不大;(4)借助原位聚合策略在纳米纤维素表面构筑聚吡咯,所得复合气凝胶中的纳米纤维素仍然展现出天然纤维素的结晶构造,并保证复合气凝胶的力学强度。而聚吡咯的引入显著提高了复合气凝胶的导电性能。通过高温碳化处理,所得碳气凝胶展现出优异的电化学性能。其中,作为钠离子电池的电极,源于棉花纳米纤维素的复合碳气凝胶的电化学性能优于木材纳米纤维素碳气凝胶复合电极。