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    西北工業大學與中科院蘇州納米所在氣凝膠纖維方向取得重要進展

    2022-03-17 閱讀:1425
      

    西北工業大學孔杰教授團隊與中科院蘇州納米所張學同研究員團隊合作,在可空氣集水、制冷制熱與電磁波吸收功能集成的氣凝膠纖維方向取得重要進展,研究成果以Hygroscopic Holey Graphene Aerogel Fibers Enable Highly Efficient Moisture Capture, Heat Allocation and Microwave Absorption“為題,于2022年3月9日在國際重要學術期刊《Nature Communications》上在線發表(2022, 13, 1227)。

    氣凝膠纖維是一種具有高比表面積、高孔隙度、低密度等特性的新型纖維材料。氣凝膠纖維的多孔結構可以方便地與其他功能組分結合,在實現材料功能化方面具有獨特優勢。然而,已報道的功能化氣凝膠纖維多為單一功能化材料,如何設計制備多功能集成的智能纖維面臨巨大挑戰。研究團隊將吸濕性LiCl引入到打孔石墨烯氣凝膠纖維中,得到具有吸濕性的石墨烯氣凝膠智能纖維(LiCl@HGAFs),實現了可空氣集水、吸附制冷/制熱與電磁波吸收功能的集成。

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    圖1HGAFs和LiCl@HGAFs制備示意圖


    為了提升纖維的吸濕動力學,將氧化石墨烯進一步進行氧化造孔得到打孔氧化石墨烯HGO,之后通過濕法紡絲、HI還原和超臨界干燥,制備出了打孔石墨烯氣凝膠纖維(HGAFs)。隨后,以HGAFs為載體,使用浸漬的方法將LiCl負載到纖維載體中。通過過氧化氫在高溫下對氧化石墨烯進行刻蝕處理,在氧化石墨烯片層上構造出納米孔(圖1a-c),并且經過刻蝕之后的打孔氧化石墨烯分散液可以形成與氧化石墨分散液類似的液晶相,這有助于在紡絲過程打孔石墨烯片層發生動態自組裝。所得的打孔石墨烯氣凝膠纖維具有優異的柔韌性(彎曲剛度Rf= 3.08×10-9N m2),可以進行彎曲、纏繞、打結和編織(圖1d-f)。從HGAFs與LiCl@HGAFs的掃描電鏡照片可分析出,通過溶液浸漬法引入的LiCl均勻的分散在打孔石墨烯片層上,并且纖維本身依然保留了多孔結構。LiCl的引入上的纖維變得更加親水(接觸角從132.6°下降到了67.3°),而并未對氣凝膠纖維載體的導電性能等產生明顯的影響。

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    圖2LiCl@HGAFs吸濕性能


    通過對石墨烯片層進行刻蝕處理可以顯著增強吸濕纖維的動力學,如圖2所示,在30min吸濕性石墨烯氣凝膠纖維LiCl@GAFs與LiCl@HGAFs吸濕量分別為1.37 g g-1和1.81 g g-1,提升32.1%。并且LiCl@HGAFs在寬濕度范圍內具有高吸濕量,在相對濕度為90%的條件下6 h吸濕量可達4.14 g g-1而不產生泄露,即使在相對濕度為30%的條件下吸濕量依然可以達到0.66 g g-1,這要歸功于LiCl超強的吸濕性以及HGAFs優異的限域能力。

    此外,LiCl@HGAFs具有良好的光響應性與電響應性。在太陽照射下,纖維的溫度可在44s內從22℃升至46℃,光熱條件下再生程度可以達到83.4%。在12V電壓下纖維表面的溫度達到131℃,可以使吸濕后的纖維完全再生。進一步的循環測試表明,在10次吸附-脫附循環中,LiCl@HGAFs的吸附量沒有明顯退化,具備良好的穩定性。

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    圖3LiCl@HGAFs吸附制熱/制冷循環示意圖


    基于纖維優異的吸濕性能,該纖維可被用于吸附式制熱/制冷系統中。當LiCl@HGAFs應用在吸附制熱系統中時,儲熱密度和性能系數COPH是主要參數標。而對纖維吸濕的過程是一個明顯的放熱過程,根據Clausius-Clapeyron方程可以得出在水蒸汽相對分壓為0.1時纖維的儲熱密度為0.19 kWh kg-1,高于美國能源部(DOE)的要求(0.071 kWh kg-1),具有高能量密度的優勢,同時性能系數可達1.73,高于硅膠類吸附劑(1.65),適用于熱儲存應用。而纖維的吸濕過程會促進工質(水)的蒸發,從而從環境中吸收熱量,達到制冷的目的。該纖維在373K驅動溫度下性能系數可達COPc=0.7,單位制冷參數可達SCP=297W kg-1,優于商用吸附劑,具有極大的應用潛力。

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    圖4LiCl@HGAFs微波吸收性能的表征


    水在微波頻率下具有色散和高損耗的特性,吸濕后LiCl@HGAFs具有微波吸收性能。如圖4所示,在吸濕之后,材料在2.5mm厚度下有效吸收頻寬在8.31GHz-18GHz,在頻率為17.3GHz時達到最低的反射損耗RL= -27.9 dB。而在為吸濕時在中高頻段沒有表現出明顯的吸收性能。微波吸收性能的提高歸功于材料吸濕引入的水提供了更多的極化損耗,并且調節了材料的阻抗,實現了更好的阻抗效果,減少了微波反射,進一步提升了材料的微波吸收能力。

    通過將吸濕性LiCl引入到打孔石墨烯氣凝膠纖維中,從材料的吸濕性能出發實現了空氣取水、吸附制冷/制熱與可調微波吸收性能的集成,為多功能氣凝膠纖維的設計制備提供了新思路,具有重要的潛在應用價值。


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