纤维素海绵、气凝胶等多孔材料,兼具纤维素材料环保可再生、可降解、易于改性以及多孔材料高比表面积、高孔隙率等特点,已在环境保护、能源材料与医用材料等领域被广泛地研究和应用。然而,纤维素多孔材料仍面临以下问题,例如机械性能较差、不易调控的微观/宏观结构和单一的表面化学性质等。上述问题在一定程度上限制了纤维素多孔材料在诸多应用场景中的性能上限。相比于利用原生网络制备的木材基多孔材料等,基于微纳米纤维素或纤维素溶液构筑纤维素多孔材料在结构调控上具有较大的灵活性。在之前的研究中,利用功能性硅烷偶联剂作为交联剂制备纤维素多孔海绵材料既能够增强多孔材料的机械性能,又能够引入更多的功能性基团以丰富其表面的化学性质。因此,本论文主要针对纤维素多孔材料的微观及宏观结构的可控构筑展开详细的研究,首先基于非衍生化纤维素纳米线（CNF）为构筑单元,结合定向冷冻技术以及利用水溶性高分子作为冷冻过程中的驱动介质,并灵活地改变制备流程和浇筑方式,实现对纤维素多孔海绵材料的微观结构调控和宏观结构组装,最终满足不同应用的定制化需求。且进一步探究了基于纤维素的离子液体溶液制备功能性纤维素海绵的方法,拓展了其作为催化剂载体的应用。本论文的主要研究内容和结论如下所述:为了验证水溶性高分子在冷冻过程中对CNF的驱动作用,首先设计了CNF与不同种类和比例的有机硅烷偶联剂（甲基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷（VTMS）、3-氨丙基三乙氧基硅烷和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（GPTMS））和水溶性高分子（海藻酸钠、聚乙烯亚胺、壳聚糖（利用1%浓度的醋酸水溶液溶解）、魔芋葡甘聚糖、水性聚氨酯、聚乙烯醇）之间的排列组合实验。通过扫描电子显微镜观察,单一的CNF或CNF与硅烷偶联剂混合冷冻干燥后均不能形成规整的各向异性微观结构。添加不同种类和比例的水溶性高分子之后,纤维素海绵均能形成规整的各向异性微观结构,验证了水溶性高分子在冰晶生长过程中对CNF组装的间接驱动,进而对纤维素海绵的微观结构构筑起到辅助调控作用。并且,基于有机硅烷偶联剂交联和水溶性高分子修饰后的纤维素海绵材料不仅在机械性能上有较大的提升,其功能性也被进一步拓展,构-效关系得到进一步优化,为后续章节中探讨纤维素海绵用于不同类型的应用奠定了基础。以聚乙烯醇作为水溶性高分子驱动CNF组装,并结合特殊的外周定向冷冻方法制备得到具有放射状微观孔道的纤维素海绵（RC海绵）用于水的快速传输和海水淡化。相较于单向冷冻制备得到的平行孔道的纤维素海绵,RC海绵由于其在横截面上的放射状结构产生的结构稳定性和毛细管作用力差异,具有更快速的水传输能力,能够实现在40 s内长达40 mm的水传输效果。进一步将RC海绵的一端浸涂含有炭黑、VTMS和CNF的悬浮液,经二次冷冻干燥后制备得到具有Janus结构的复合海绵（CBRC海绵）。VTMS能够对悬浮液中的CNF和RC海绵中的GPTMS和CNF进行交联,将炭黑较为牢固地固定在多孔结构表面,并且提供了疏水特性,有利于光热转换层在水上的漂浮及热的固定。结合其优异的光热转化能力和RC海绵快速的水传输能力,制备得到的CBRC海绵在一个太阳光强度下具有高达2.06 kg m-2 h-1的蒸发速率和93.45%的光热转换效率。并且连续长达7小时的海水淡化实验也证明了该蒸发器的耐盐性能和长时间使用稳定性。该海绵有希望应用在野外环境下的继续淡水等场景。为合理利用上述平行孔道微观结构且优化Janus结构的制备流程,以不同原料混合的悬浮液分别作为亲水层（壳聚糖、GPTMS、CNF）和疏水层（VTMS、CNF）的构筑前驱液,通过定向预冷冻、异相混合、界面化学交联及物理缠绕和冷冻干燥相结合,制备得到两面具有不同润湿性的Janus型纤维素海绵,并探究了其在出血型伤口止血中的应用。亲水层前驱液中的壳聚糖可作为水溶性高分子驱动亲水层中的CNF进行规整排列,使得亲水层具有平行孔道的微观结构。而疏水层的微观结构则表现为无规律的各向同性结构。亲水层的平行孔道微观结构既能够适度地吸收血液,又能够避免血液在海绵内部的快速传输。结合壳聚糖天然的止血性能和疏水层对血液传输的进一步阻隔,使得该Janus型海绵与单一单亲水层海绵对照样品相比,作用于大鼠损伤模型的总失血量分别减少了29%（肝脏损伤模型）和49%（股动脉损伤模型）,在大鼠股动脉损伤模型中的止血时间从165±20 s缩短到131±26 s,在大鼠肝动脉损伤模型中从102±21 s缩短到83±15 s。对于出血流量较高的颈动脉损伤模型,虽然使用Janus型海绵时的总失血量没有明显减少,但大鼠存活时间相较于单一亲水层海绵对照样品从99±36 s延长到170±60 s。基于这一特性,该Janus型海绵在紧急止血伤口敷料的应用中具有巨大潜力。为进一步探索具有上述平行孔道微观结构的纤维素海绵在服用隔热领域中的应用时兼具透气透湿性,本论文在纤维素海绵中引入相变微胶囊,充分利用其平行层方向上的透气透湿性能,且使其维持良好的隔热能力。首先基于乳液模板法,以水性聚氨酯和CNF乳化正二十烷相变材料,在上述乳液中加入GPTMS,搅拌水解后定向冷冻,水性聚氨酯作为水溶性高分子驱动定向冷冻过程中的CNF组装,经冷冻干燥后制备得到负载相变材料的具有平行孔道结构的纤维素复合海绵。相比于二氧化硅气凝胶隔热毡,该海绵在加热板上300 s内以更低的升温速度从室温升至约44℃,在该温度下表现出更好的隔热能力。然而上述方法制备得到的相变复合海绵存在相变材料轻微泄露问题。本论文又利用正十八烷相变微胶囊分散液,与CNF和GPTMS混合,经定向冷冻和冷冻干燥后制备得到负载相变微胶囊的纤维素海绵（CPCM海绵）,解决了上述复合海绵的相变材料泄露问题。相变微胶囊分散液中的游离水性聚氨酯-聚丙烯酸酯作为水溶性高分子驱动冷冻过程中的CNF规整排列,形成了具有平行孔道微观结构的复合海绵。负载相变微胶囊弥补了该海绵在平行方向上作为隔热材料使用时的隔热性能不足问题,并使其保持了一定的透气透湿性能。相较于不含相变微胶囊的海绵,CPCM海绵具有更好的隔热性能,且对热水或冷水具有更好的保温或保冷能力。最后,本论文对基于纤维素的离子液体溶液制备纤维素海绵和纤维素海绵在催化剂载体中的应用进行了拓展。以聚二茂铁硅烷基聚离子液体（PFS-PIL）为功能性材料,以纤维素粉末为基材,将二者在离子液体中共溶解,溶剂置换后得到复合水凝胶材料,最后冷冻干燥制孔制备得到复合海绵材料。与纤维素均匀混合的PFS-PIL在不需要额外添加外部小分子还原剂的情况下可以原位还原和固定钯纳米粒子,制备得到负载钯纳米粒子的海绵材料（cellulose/PFS-PIL@Pd海绵）。cellulose/PFS-PIL@Pd海绵具有规整的贯通的大孔结构,能够有效地催化4-硝基苯酚的还原反应。通过改进钯纳米粒子的负载制备过程,可以将4-硝基苯酚还原为4-氨基苯酚的反应恒定速率常数值提高到k=0.51 min-1。该类用于在可再生载体材料上还原和固定金属纳米粒子的方法也可用于制备更多负载其它贵金属纳米粒子的多孔材料。