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[材料资讯] 张学同团队-西北工业大学孔杰团队合作Nature Communications:多功能气凝胶吸湿纤维

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发表于 2022-3-11 09:41:51 | 显示全部楼层 |阅读模式
气凝胶纤维是一种具有高比表面积、高孔隙度、低密度等特性的新型纤维材料。气凝胶纤维的多孔结构可以方便地与其他功能组分结合,在实现材料功能化方面具有独特优势。然而,现有的功能化气凝胶纤维均为单一功能化材料,如何设计多功能集成的智能纤维面临巨大挑战。
  为此,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张学同研究员团队与西北工业大学孔杰教授团队合作,通过将吸湿盐LiCl引入到打孔石墨烯气凝胶纤维中,得到一种具有吸湿性的石墨烯气凝胶智能纤维(LiCl@HGAFs),实现了空气取水、吸附式制冷/制热与宽频微波吸收多功能的集成化。

吸湿纤维

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    图1. LiCl@HGAFs吸湿纤维的制备及应用示意图
  为了提升纤维的吸湿动力学,将氧化石墨烯进一步进行氧化造孔得到打孔氧化石墨烯HGO,之后通过湿法纺丝、氢碘酸还原和超临界干燥,制备出了打孔石墨烯气凝胶纤维(HGAFs)(图1)。随后,以HGAFs为多孔骨架,使用浸渍的方法将LiCl负载到纤维多孔骨架中。

吸湿纤维

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    图2. HGAFs和LiCl@HGAFs的形貌、结构、电阻及浸润性
  通过过氧化氢在高温下对氧化石墨烯进行刻蚀处理,氧化石墨烯片层上形成了纳米孔(图2a-c),经过刻蚀之后的打孔氧化石墨烯分散液可以形成与氧化石墨分散液类似的液晶相,这有助于在纺丝过程打孔石墨烯片层发生动态自组装。所得的打孔石墨烯气凝胶纤维具有优异的柔韧性(弯曲刚度Rf=3.08×10-9 N m2),可以进行弯曲、缠绕、打结和编织(图2d-f)。由HGAFs与LiCl@HGAFs的扫描电镜图可知,LiCl均匀分散在打孔石墨烯片层上,并且纤维本身依然保留了多孔结构。LiCl引入使得LiCl@HGAFs纤维变得更加亲水(接触角从132.6°下降到了67.3°,图2m),同时并未对纤维本身的导电性能产生明显的影响(图2l)。

吸湿纤维

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    图3. LiCl@HGAFs的吸湿性能
  通过对石墨烯片层进行刻蚀处理可以显著增强吸湿纤维的动力学(图3),在30 min吸湿性石墨烯气凝胶纤维LiCl@GAFs与LiCl@HGAFs吸湿量分别为1.37g g-1和1.81g g-1,提升了32.1%。并且LiCl@HGAFs在较宽湿度范围内具有高吸湿量,在相对湿度为90%条件下6小时的吸湿量可达4.14 g g-1而不产生泄露,即使在相对湿度为30%的条件下吸湿量依然可达0.66g g-1,这是由于LiCl超强的吸湿性以及HGAFs优异的限域能力。此外,LiCl@HGAFs具有良好的光响应性与电响应性。在一个太阳照射下,纤维温度可在44s内从22℃升至46℃,在光热条件下纤维脱附再生程度可以达到83.4%。在12V电压下纤维表面温度可达131℃,这个条件下可以使吸湿后的纤维完全再生。进一步的循环测试表明,在10次吸附-脱附循环中,LiCl@HGAFs的吸附量没有明显退化,表明其具备良好的稳定性。

吸湿纤维

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    图4. LiCl@HGAFs吸附式制热/制冷原理与性能
  基于纤维优异的吸湿性能,该纤维可被用于吸附式制热/制冷系统中。在吸附式制热/制冷系统中,吸附剂与工质水之间的热量传递如图4所示。在制热模式下,吸附剂LiCl@HGAFs捕获水分子并释放吸附热(Qads)。吸附剂会吸附饱和后,再生过程中,吸附剂吸收热量(Qregen)并解吸出水蒸汽,水蒸汽随后被凝结成液态水并释放热量(Qcon)。上述过程中释放出的热量Qads和Qcon都可用于室内供暖。在制冷模式下,吸附剂LiCl@HGAFs对水蒸气的捕获将促进工质水的蒸发并从环境中吸收热量(Qeva),以达到制冷的效果。
  当LiCl@HGAFs应用在吸附式制热系统中时,储热密度和性能系数COPH是主要参数指标。纤维吸湿过程是一个明显的放热过程,根据Clausius-Clapeyron方程可以得出在水蒸汽相对分压为0.1时纤维的储热密度为0.19kWh kg-1,高于美国能源部(DOE)的要求(0.071kWh kg-1),具有高能量密度的优势,同时性能系数COPH可达1.73,高于硅胶类吸附剂(1.65),适用于热储存应用。而纤维的吸湿过程会促进工质(水)的蒸发,从而从环境中吸收热量,达到制冷的目的。对于吸附式制冷系统,性能系数COPc与单位质量制冷参数SCP是主要评价指标。该纤维在373K驱动温度下性能系数可达COPc = 0.7。此外,由于优异的吸脱附动力学性能,纤维的单位制冷参数可达SCP=297W kg-1,优于商用吸附剂,具有极大的应用潜力。

吸湿纤维

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    图5. LiCl@HGAFs的微波吸收原理与性能
  水在微波频率下具有色散和高损耗的特性,是设计宽频吸收器的理想材料。因此吸湿后LiCl@HGAFs具有更好微波吸收性能。如图5所示,在吸湿之后,材料在2.5 mm厚度下有效吸收频宽在8.31GHz-18GHz,在频率为17.3 GHz时达到最低的反射损耗RL= -27.9 dB。在未吸湿时,在中高频段没有表现出明显的吸收性能(反射损耗RL>-10 dB)。LiCl@HGAFs的微波吸收机制主要包括电导损耗、界面极化损耗和偶极子的极化损耗,而微波吸收性能的提高归功于材料吸湿引入的水提供了更多的极化损耗(图5c),同时,水的引入调节了材料的阻抗,实现了更好的阻抗效果,减少了微波反射,进一步提升了材料的微波吸收能力。
  相关工作以Hygroscopic holey graphene aerogel fibers enable highly efficient moisture capture, heat allocation and microwave absorption为题发表在Nature Communications上,西北工业大学博士生侯英来与中科院苏州纳米所副研究员盛智芝为共同第一作者,中科院苏州纳米所张学同研究员与西北工业大学孔杰教授为论文共同通讯作者。该论文工作获得了国家重点研发计划、英国皇家学会-牛顿高级学者基金、国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金等资助。
  论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-28906-4


       文章来源:苏州纳米所
       张学同,博士,博士生导师,苏州纳米所先进材料部副主任、苏州市“纳米节能技术与低碳建筑应用”重点实验室主任。主要从事气凝胶材料的控制合成及应用研究,已在Scientific Reports、Advanced Materials、ACS Nano、Energy & Environmental Science等高水平SCI期刊上发表学术论文70余篇,全部论文被引超过2800次,单篇最高被引超过400次,H指数25。研究成果多次得到美国化学会(ACS)、英国皇家化学会(RSC)、Materials Views中国等新闻媒体广泛报道。申请了中国发明专利20余项,其中10余项已经实现商业化转让。
        孔杰,西北工业大学教授/博士生导师,国家杰出青年科学基金获得者,洪堡学者,教育部新世纪优秀人才,陕西省“三秦学者”特聘教授及创新团队带头人,英国材料矿物与矿业学会Fellow,入选科睿唯安全球高被引科学家(交叉领域);现担任超常条件材料物理与化学教育部重点实验室副主任、陕西省高分子科学与技术重点实验室主任、中铁高铁电气装备股份有限公司-西北工业大学先进高分子材料联合实验室主任。1999-2004在西北工业大学获得高分子材料与工程学士,材料学硕士、博士学位;2006-2010在香港理工大学、德国Bayreuth大学从事科研工作,2011年起在理学院、化学与化工学院担任教授。主要从事超支化高分子设计合成及在高温吸波材料、透波介电材料、陶瓷前驱体、增材制造中应用的研究工作。主持国家自然科学基金(6项)等国家级项目9项;以第一或通讯作者在Nat. Commun.、Adv. Funct. Mater.、Macromolecules等期刊发表论文130余篇,引用11000余次,H-Index为50+;已获授权发明专利20余件;获教育部技术发明二等奖(排名第1)等省部级科技奖4项。担任中国复合材料学会介电高分子复合材料与应用专业委员会常务副主任、学术交流工作委员会副主任,Engineered Science副主编、Adv. Compos. Hybrid Mater.、IET Nanodielectronics编委等。






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