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                          西北工业大学与中科院苏州纳米所在气凝胶纤维方向取得重要进展

                          2022-03-17 阅读:634
                            

                          西北工业大学孔杰教授团队与中科院苏州纳米所张学同研究员团队合作,在可空气集水、制冷制热与电磁波吸收功能集成的气凝胶纤维方向取得重要进展,研究成果以Hygroscopic Holey Graphene Aerogel Fibers Enable Highly Efficient Moisture Capture, Heat Allocation and Microwave Absorption“为题,于2022年3月9日在国际重要学术期刊《Nature Communications》上在线发表(2022, 13, 1227)。

                          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,已报道的功能化气凝胶纤维多为单一功能化材料,如何设计制备多功能集成的智能纤维面临巨大挑战。研究团队将吸湿性LiCl引入到打孔石墨烯气凝胶纤维中,得到具有吸湿性的石墨烯气凝胶智能纤维(LiCl@HGAFs),实现了可空气集水、吸附制冷/制热与电磁波吸收功能的集成。

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                          图1HGAFs和LiCl@HGAFs制备示意图


                          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、HI还原和超临界干燥,制备出了打孔石墨烯气凝胶纤维(HGAFs)。随后,以HGAFs为载体,使用浸渍的方法将LiCl负载到纤维载体中。通过过氧化氢在高温下对氧化石墨烯进行刻蚀处理,在氧化石墨烯片层上构造出纳米孔(图1a-c),并且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= 3.08×10-9N m2),可以进行弯曲、缠绕、打结和编织(图1d-f)。从HGAFs与LiCl@HGAFs的扫描电镜照片可分析出,通过溶液浸渍法引入的LiCl均匀的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的引入上的纤维变得更加亲水(接触角从132.6°下降到了67.3°),而并未对气凝胶纤维载体的导电性能等产生明显的影响。

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                          图2LiCl@HGAFs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,如图2所示,在30min吸湿性石墨烯气凝胶纤维LiCl@GAFs与LiCl@HGAFs吸湿量分别为1.37 g g-1和1.81 g g-1,提升32.1%。并且LiCl@HGAFs在宽湿度范围内具有高吸湿量,在相对湿度为90%的条件下6 h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以达到0.66 g g-1,这要归功于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。在太阳照射下,纤维的温度可在44s内从22℃升至46℃,光热条件下再生程度可以达到83.4%。在12V电压下纤维表面的温度达到131℃,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,具备良好的稳定性。

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                          图3LiCl@HGAFs吸附制热/制冷循环示意图


                          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。当LiCl@HGAFs应用在吸附制热系统中时,储热密度和性能系数COPH是主要参数标。而对纤维吸湿的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0.19 kWh kg-1,高于美国能源部(DOE)的要求(0.071 kWh kg-1),具有高能量密度的优势,同时性能系数可达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。该纤维在373K驱动温度下性能系数可达COPc=0.7,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。

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                          图4LiCl@HGAFs微波吸收性能的表征


                          水在微波频率下具有色散和高损耗的特性,吸湿后LiCl@HGAFs具有微波吸收性能。如图4所示,在吸湿之后,材料在2.5mm厚度下有效吸收频宽在8.31GHz-18GHz,在频率为17.3GHz时达到最低的反射损耗RL= -27.9 dB。而在为吸湿时在中高频段没有表现出明显的吸收性能。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,并且调节了材料的阻抗,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。

                          通过将吸湿性LiCl引入到打孔石墨烯气凝胶纤维中,从材料的吸湿性能出发实现了空气取水、吸附制冷/制热与可调微波吸收性能的集成,为多功能气凝胶纤维的设计制备提供了新思路,具有重要的潜在应用价值。


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