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盘点高弹性纳米纤维气凝胶的新成果!

能源环保    2021-09-18 17:08

1. Angew.:研发出高导电、高弹性TiO2纳米纤维气凝胶

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东华大学纺织科技创新中心俞建勇院士、丁彬教授、刘一涛教授报道了一种全新的TiO2本体形式——超轻、高弹TiO2纳米纤维气凝胶。

以柔性TiO2纳米纤维为构筑基元,以少量SiO2溶胶为化学交联剂,利用冷冻成型的方法,实现了TiO2纳米纤维的定向组装,制备出具有有序胞腔结构的TiO2纳米纤维气凝胶。

该纳米纤维气凝胶还具有超低的体密度(0.5 mg cm–3)以及超高的孔隙率(>99%)。进一步通过锂金属还原产生丰富的氧空位,从而有效地调控TiO2的电子结构,使其电导率高达38.2 mS cm–1。

将该纳米纤维气凝胶作为一种新型的自支撑电催化剂用于环境固氮,表现出优异的电催化活性。该纳米纤维气凝胶在酸性、碱性及中性电解质中均表现出优异的耐久性。

DOI: 10.1002/anie.202010110

 

2. ACS Nano:高回弹性、耐高温、高灵敏度气凝胶传感器

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陕西科技大学张美云教授团队将力学强度优异的Kevlar纳米纤维(ANFs)和导电性高的MXene纳米片结合制备出高回弹性、耐高温、灵敏度高的复合气凝胶传感器。

该传感器可以感知形变量为2-80%的压缩应变,极高的灵敏度(能够感知100 Pa的压力)和循环稳定性(1000次)。

首先利用DMSO和KOH把原始的Kevlar纤维去质子化处理,得到Kevlar纳米纤维的DMSO溶液。经过溶剂交换得到了Kevlar纳米纤维的水溶液。同时对Ti3AlC2进行插层剥离,得到了MXene纳米片。把二者的水溶液进行混合、抽滤、冷冻、冷冻干燥四个过程后,得到了密度仅为25 mg/cm3的复合气凝胶。

在运动监测和严苛环境下的传感设备有优异的应用前景。

DOI:10.1021/acsnano.0c04888

 

3.AFM:新型具有3D互连的分层微观结构的纳米纤维增强石墨烯气凝胶

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北京化工大学材料学院潘凯研究员采用碱处理后的PAN纳米纤维(aPAN)与氧化石墨烯(GO)为前驱体,通过水热还原的方式成功制备了一种纳米纤维增强石墨烯气凝胶(aPANF/GA)。

在还原氧化石墨烯(rGO)薄片之间嵌入良好的aPAN纳米纤维作为支架,使气凝胶的机械强度达到43.54 kPa。

这种纳米纤维增强石墨烯气凝胶具有28.62 kPa-1的高压阻灵敏度和宽范围(0-14 kPa)的线性灵敏度。

当其作为压阻传感器时,压缩弹性很好,在3Pa下的响应和恢复时间分别快约37和14ms,结构稳定性和传感耐久性好,经过2600次循环后,在20%压缩应变下,电流信号值为初始信号值的91.57%。

DOI:10.1002/adfm.202003618

 

4. Adv. Mater.:负载金属有机骨架的柔性纳米纤维用于去除重金属

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武汉大学邓红兵教授与东华大学丁彬教授利用纤维冷冻成型方法,将纳米纤维组装成具有垂直排列的管道的气凝胶,以实现高效的盐、水运输;通过将碳纳米管(CNT)沉积在管道壁上,以通过管道中光的多次散射和吸收来实现高效的光吸收。

该蒸发器能够吸收98%的太阳光,在1个太阳的光照下(1 kW m-2)能够以1.50 kg m-2 h-1的速率产生蒸汽,即使在20%的盐水中接受6个太阳的持续照射(6 kW m-2)也不产生盐。

蒸发器还展现出了其优异的机械强度和化学稳定性,能经受反复的压缩、长时间的超声和酸碱处理,产生的淡水也完全满足WHO的饮用水标准,受重金属、有机染料、抗生素污染的废水和海水中的有害成分几乎完全被去除。

DOI:10.1002/adma.201908269

 

5.ACS Nano:表面润湿性可控的有机-无机复合纳米纤维气凝胶

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东华大学肖茹教授团队利用熔融共混挤出相分离法将热塑性高聚物树脂纤维化、纳米化,通过冷冻干燥和化学原位交联构筑力学性能良好的乙烯乙烯醇共聚物纳米纤维气凝胶,并以其为模版,三甲基铝和水为铝源、氧源,经原子层气相沉积于气凝胶表面引入Al2O3颗粒,制备表面润湿性可控的有机-无机复合纳米纤维气凝胶。

Al2O3颗粒的沉积有利于提升气凝胶的压缩强度,经100次ALD改性,复合气凝胶的压缩应力和杨氏模量分别由31.13和5.54 kPa提高至176.11和33.27 kPa。

6cy-ALD气凝胶展现良好的回弹性和耐压性,经500次循环压缩,依旧能保持85%以上的压缩应力和74%以上的杨氏模量,塑性形变仅为19.05%。

该工作为热塑性高聚物纳米纤维衍生材料的设计和应用拓宽思路。

DOI:10.1016/j.chemphys.2020.110832

 

6.Adv. Funct. Mater.:超弹纳米纤维气凝胶高温空气过滤材料领域取得新进展

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东华大学俞建勇院士、丁彬研究员团队以具有半互穿聚合物网络(semi-IPN)结构的纳米纤维为构筑基元,利用纤维冷冻成型方法制备出了具有“级联过滤”行为的超弹、耐高温气凝胶空气过滤材料。

通过调控由聚酰胺酰亚胺(PAI)和不同双马来酰亚胺(BMI)组成的semi-IPN结构的分子链柔曲性,实现了纳米单纤维力学性能和耐热性的同步提升。

所得semi-IPN基纳米纤维气凝胶具有高压缩应力(60%压缩应变时为7.9kPa),高压缩模量(12kPa)和高温(220℃)结构稳定性,可实现对高温烟气(通常<200℃)中超细颗粒物的高效低阻过滤,其对最易穿透粒径颗粒物(PM0.3)的过滤效率高达99.97%,且经20次循环过滤(PM2.5)后性能稳定,具有长效使用性能。

DOI: 10.1002/adfm.201910426