納米纖維氣凝膠的研究進展

納米纖維氣凝膠的研究背景

?氣凝膠的低容重、高孔隙性質和大的表面積使其成為從隔熱、分離、生物醫學到聲學等各種應用的理想選擇。

?傳統氣凝膠的制造過程耗時長，步驟復雜，且普遍缺乏機械穩定性，這對其大規模、高性價比的應用提出了重大挑戰。

?最近的研究表明，在氣凝膠中纖維網絡的存在加強了它的機械性能。

?納米纖維氣凝膠具有高孔隙率、良好的孔隙互聯性、整體結構、大小形狀可控、原料豐富等優點，引起了能源、環保、傳感器等各個領域研究人員的廣泛興趣和關注。

不同形狀的納米纖維氣凝膠和納米纖維氣凝膠超輕性能展示

納米纖維氣凝膠的研究進展

1.1 中國科大研制超彈性硬碳納米纖維氣凝膠（2019.4.15 online)

?中國科學技術大學俞書宏教授團隊受自然界蜘蛛網同時具有高強度和彈性的啟發，巧妙通過模板法構筑納米纖維網絡結構，制備了一系列具有納米纖維網絡結構的硬碳氣凝膠。該系列氣凝膠具有超彈性、抗疲勞以及穩定性好等優點。

?這種硬碳氣凝膠微觀結構精細，由大量的納米纖維和納米纖維之間的焊接點構成。

?這種方法簡單高效，容易放大生產，通過調節模板與樹脂單體的添加量，可簡便地調控納米纖維的直徑、氣凝膠的密度、機械性能等。

1.2 水下超彈性納米纖維氣凝膠用于高效分離蛋白質（2019.11.2 online)

?東華大學丁彬教授團隊首次將靜電紡絲、低溫誘導相分離調節和原位磷酸化修飾相結合，制備了一種新型的高磷酸化納米纖維氣凝膠(PNFAs)。

?PNFAs具有優異的水下超彈性和良好的抗壓疲勞性能(經過1000次壓縮循環后約0%的塑性變形)，以及良好的形狀記憶性能。

?PNFAs還表現出優越的性能穩定性、易于組裝和突出的適用性，突出了其潛在的實際應用。

1.3 用于高性能非對稱超級電容器的彈性和層次化碳納米纖維氣凝膠（2019.11.23 online)

?北京化工大學于中振教授和楊冬芝教授團隊以聚乙烯吡咯烷酮為焊料，電紡聚丙烯腈納米纖維與相鄰的納米纖維焊接，再經冷凍干燥、碳化、CO2活化，制備出具有良好導電性、良好可逆壓縮性能的彈性氣凝膠負極材料。

?在金屬Co的催化下，碳納米管(CNTs)均勻地生長在氣凝膠的表面，而碳納米管尖端的Co納米顆粒被原位氧化為Co3O4納米顆粒。

?CNF氣凝膠為負極，混合氣凝膠為正極組裝的非對稱超級電容器在780.2 W kg-1時，展現出相當高的能量密度48.1 W h kg-1。

?本研究為高效儲能的輕質彈性電極材料的制備提供了一種新的思路。

1.4 電紡納米纖維的均勻強化有效增強聚酰亞胺氣凝膠的機械強度和隔熱性能（2019.11.25 online)

?東華大學劉天西教授團隊以電紡聚酰亞胺納米纖維為增強填料，實現了聚酰亞胺氣凝膠的均勻性增強。短納米纖維與聚酰亞胺氣凝膠具有良好的相容性，通過機械互鎖效應將應力沿孔壁分散，可以提高氣凝膠的強度和韌性。

?納米纖維增強的聚酰亞胺(NRPI)氣凝膠具有更好的結構成型性和優異的機械性能，其壓縮模量為3.7 MPa，密度為54.4 mg cm-3，幾乎是純聚酰亞胺氣凝膠的兩倍。

?由于具有高孔隙率和交織的三維網絡，在高溫下，NRPI氣凝膠比商業絕緣材料表現出更好的隔熱性能。

1.5 超彈性、抗疲勞碳納米纖維氣凝膠（2019.11.27 online)

?中國科學技術大學俞書宏教授團隊在石墨化碳納米纖維氣凝膠中，通過對熱解化學的工程處理制備了碳納米纖維氣凝膠，其完美地繼承了細菌纖維素從宏觀到微觀的層次結構，具有顯著的熱機械性能。

?在經歷2×106次壓縮循環后仍能保持超彈性而不發生塑性變形，在至少- 100 ~ 500℃的溫度范圍內具有優異的溫度不變超彈性和抗疲勞性能。

?這種氣凝膠在熱機械穩定性和抗疲勞性能方面比高分子泡沫、金屬泡沫和陶瓷泡沫有獨特的優勢，實現了可擴展的合成，并具有生物材料的經濟優勢。

1.6 超輕、高壓縮性、疏水性和各向異性納米纖維氣凝膠作為除油吸收劑（2019.11.30 online)

?南京林業大學徐朝陽副教授團隊采用定向冷凍干燥和碳化工藝制備了一種可壓縮、各向異性的層狀疏水親脂石墨烯/聚乙烯醇/纖維素納米纖維碳氣凝膠(a-GPCCA)。

?定向冷凍干燥導致層狀相連的三維多孔結構，具有較高的吸附能力(重量的155-288倍)，壓縮性好(重復后95%恢復)。

?碳化使其具有良好的熱穩定性和疏水性，從而具有油水選擇性和燃燒循環性(10次吸附燃燒循環后，吸油能力僅降低10.2%)。

?因此，各向異性碳納米纖維氣凝膠有望成為一種環境友好的吸油材料。

1.7 新型三維納米纖維氣凝膠基MoS2@Co3S4異質結光催化劑（2019.12.18 online)

?南京大學劉富強教授團隊在納米纖維氣凝上采用雙模板化方法制備二硫化鉬@硫化鈷(MoS2@Co3S4/NFA)催化劑，考察了其對典型污染物的轉化和析氫反應的性能。

?MoS2@Co3S4/NFA對典型污染物(Cr(VI)、磺胺甲惡唑和細菌)具有良好的光催化活性，并具有良好的析氫活性。

?由于異質結構在電荷分離中起著顯著的作用，因此構建光催化劑的異質結構是提高其催化活性的另一種有效方法。

1.8 溶膠-凝膠電紡納米纖維制備多功能納米纖維氣凝膠（2019.12.9 online)

?北卡羅萊納州立大學Saad A. Khan團隊提出了一種制備溶膠-凝膠電紡硅-纖維素二乙酸酯(CDA)復合納米纖維的簡便方法，用于制備熱機械性能穩定的納米纖維氣凝膠。

?熱處理將硅膠- CDA網絡強力粘合在一起，從而提高氣凝膠的機械穩定性和疏水性，同時又不影響其高孔隙率(>98%)和低容重。

?二氧化硅和CDA網絡之間形成了牢固的化學鍵，導致交聯結構的形成，從而增強了機械性能和熱魯棒性，并增強了對油的親和力。

?混合氣凝膠超疏水性和高親油性使其成為清理溢油的理想選擇。