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中山大学周剑《AFM》:室温干燥生物质气凝胶用于储能和湿气发

kok登录入口 时间:2022-08-01 05:30:39 作者:KOK客户端下载 来源:kok登录入口

  气凝胶因其具有极低密度有望作为轻质替代品应用在各种领域中。在传统的气凝胶制备方法中,通常采用冷冻

  气凝胶因其具有极低密度有望作为轻质替代品应用在各种领域中。在传统的气凝胶制备方法中,通常采用冷冻干燥、超临界干燥和常压干燥等方法,这需要特定设备增加了制造成本。

  最近,中山大学周剑团队报告了一种具有低密度和收缩率的高孔隙度的羧甲基壳聚糖/纤维素纳米纤维(CMC/CNF)生物质气凝胶,CNF和CMCs溶液的交联和凝胶化由三嗪衍生物(DMTMM)引发,该方法产生坚固的水凝胶可以在环境挥发过程中抵抗毛细力,并通过冷冻、溶剂解冻和交换以及室温环境干燥变成气凝胶。通过优化比例,常温干燥的气凝胶达到12.0 mg/cm3的超低密度和10.1%的收缩率,与相同配置的冻干气凝胶相当。值得注意的是,常温干燥的气凝胶显示出比冷冻干燥气凝胶更出色的机械性能。所设计的CMC/CNF气凝胶还可以作为导电聚合物聚(3,4-乙烯二氧噻吩):甲苯磺酸盐(PEDOT:Tos)的载体,使其应用于超级电容器。此外,气凝胶丰富的亲水基团和孔隙使其成功应用于湿气发电机。相关成果以“Covalent Cross-Links Enable the Formation of Ambient-Dried Biomass Aerogels through the Activation of a Triazine Derivative for Energy Storage and Generation”为题发表在Advanced Functional Materials上。

  CMC中的氨基与CNF上丰富的羧基易于形成酰胺键,从而增强了气凝胶结构强度和稳定性。为了实现CNF和CMCs之间的共价键合,使用三嗪衍生物(DMTMM)来作为交联剂。环境干燥的气凝胶(0.2 g,30.0 mg/cm3)可以支撑500 g的重量,其压缩形变约为8%(图 1e),物体卸载后可恢复至96%,表现出良好的保形性和可恢复性。

  环境干燥气凝胶在径向和轴向方向的SEM图像显示出高度多孔结构,常温干燥的气凝胶是在温和条件下进行,无需特定的干燥设备,使其具有成本效益,有利于其商业化和应用。常温干燥气凝胶的FTIR光谱提供了CMC和CNF酰胺化交联的证据。通过优化比例,常温干燥的气凝胶达到12.0 mg/cm3的超低密度和10.1%的收缩率。

  在饱和Na2SO4溶液中测试了基于具有和不具有PEDOTT:Tos功能化CMCs/CNF 气凝胶超级电容器的性能,证实了具有 PEDOT:Tos功能化的气凝胶具有优异的电容性能。

  将CMC/CNF气凝胶浸入水中后,可以收集到160 mV的电压(图4c)。虽然 PEDOT:Tos功能化不会影响CMC和CNF的化学结构,但疏水性 PEDOT:Tos 纳米颗粒会导致气凝胶的吸湿性差(图4e)。因此,PEDOT:Tos的引入降低了发电性能。此外,将具有和不具有PEDOT:Tos功能化的气凝胶在浸入水中和从水中提起时,两个电极之间的电位都表现出相同的急剧增加和下降(图4g)。 PEDOT:Tos功能化的气凝胶电位变化率为50%,是CMCs/CNF气凝胶的6倍。最后还用不同的饱和盐溶液评估了盐对气凝胶输出电压性能的影响。

  中山大学材料科学与工程学院周剑副教授为本文通讯作者,博士研究生汤松松为本文第一作者。该研究得到广东省自然科学基金、中山大学百人计划中央高校基本科研基金项目支持。

  来源:微信公众号“微纳传感与柔性电子”,微纳传感与柔性电子为非营利性学术公众平台,聚焦分享微纳化学量、物理量和生物量传感器与柔性电子器件领域的最新研究成果。同时,公众号免费为各课题组提供相关领域最新研究成果的宣传业务。编者学识有限,如有错误,恳请批评指正!

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