苏州纳米所张学同-西北工大孔杰团队合作：多功能气凝胶吸湿纤维

原标题:苏州纳米所张与西北工业大学孔杰团队合作:多功能气凝胶吸湿纤维

气凝胶纤维是一种高比表面积、高孔隙率、低密度的新型纤维材料。气凝胶纤维的多孔结构易于与其他功能组分结合，在实现材料功能化方面具有独特的优势。然而，现有的功能化气凝胶纤维都是单一的功能化材料，因此如何设计多功能一体化智能纤维面临着巨大的挑战。

因此，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张研究员团队与西北工业大学孔杰教授团队合作。通过在多孔石墨烯气凝胶纤维中引入吸湿盐LiCl，得到一种吸湿石墨烯气凝胶智能纤维(LiCl@HGAFs)，实现了空气体进水、吸附制冷/制热、宽带微波吸收的多功能集成。

图一。LiCl @ HGAFS吸湿纤维的制备及应用示意图

为了改善纤维的吸湿动力学，氧化石墨烯进一步氧化成孔，得到多孔氧化石墨烯HGO，然后通过湿法纺丝、氢碘酸还原和超临界干燥制备多孔石墨烯气凝胶纤维(HGAFs)(图1)。然后，以HGAFs为多孔骨架，采用浸渍法将LiCl负载到纤维的多孔骨架中。

图二。HGAFS和LiCl@HGAFs的形貌、结构、电阻和润湿性

氧化石墨烯在高温下被过氧化氢刻蚀，在氧化石墨烯片上形成纳米孔(图2a-c)。刻蚀后的多孔氧化石墨烯分散体可以形成类似于氧化石墨烯分散体的液晶相，有利于纺丝过程中多孔石墨烯片的动态自组装。得到的多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)，可以弯曲、缠绕、打结和编织(图2d-f)。从HGAFs和LiCl@HGAFs的SEM图像来看，LiCl均匀分散在多孔石墨烯片上，纤维本身仍然保留了多孔结构。LiCl的引入使LiCl@HGAFs纤维更加亲水(接触角从132.6°下降到67.3°，图2m)，而对纤维本身的导电性没有明显影响(图2l)。

图3。LiCl @ HGAFS的吸湿性能

刻蚀石墨烯片可以显著增强吸湿纤维的动力学(图3)，吸湿石墨烯气凝胶纤维LiCl@GAFs和LiCl@HGAFs在30 min内的吸湿量分别为1.37g·g·g-1和1.81g·g·g-1，提高了32.1%。此外，LiCl@HGAFs在较宽的湿度范围内具有较高的吸湿量，在90%相对湿度条件下6小时吸湿量可达4.14g·g-1而无泄漏，即使在30%相对湿度条件下吸湿量仍可达0.66 g-1，这得益于LiCl超强的吸湿量和HGAFs优异的范围限制能力。此外，LiCl@HGAFs具有良好的光响应性和电响应性。在太阳光的照射下，纤维的温度可在44s内从22℃升至46℃，在光热条件下纤维的脱附再生率可达83.4%。在12V电压下，纤维表面温度可达131℃。在此条件下，吸湿纤维可以完全再生。进一步的循环试验表明，LiCl@HGAFs的吸附容量在10次吸附-脱附循环中没有明显下降，表明其具有良好的稳定性。

图4。LiCl @ HGAFS吸附式制冷/制热的原理和性能

基于其优异的吸湿性能，该纤维可用于吸附式冷热系统。在吸附加热/冷却系统中，吸附剂和工作水之间的热传递如图4所示。在加热模式下，吸附剂LiCl@HGAFs捕获水分子并释放吸附热(Qads)。吸附剂饱和后，吸附剂吸收热量(Qregen)并解吸水蒸气，水蒸气随后冷凝成液态水并释放热量(Qcon)。上述过程释放的热量Qads和Qcon可用于室内供暖。在制冷模式下，吸附剂LiCl@HGAFs对水蒸气的捕获会促进工质水的蒸发，并从环境中吸收热量(Qeva)达到制冷效果。

当LiCl@HGAFs用于吸附式供热系统时，蓄热密度和性能系数COPH是主要参数。纤维的吸湿过程是一个明显的放热过程。根据克劳修斯-克拉贝龙方程，当水蒸气的相对分压为0.1时，纤维的蓄热密度为0.19kwh·kg-1，高于DOE的要求(0.071kwh·kg-1)，具有能量密度高的优点。同时，性能系数COPH可达1.73，高于硅胶吸附剂(1.65)。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和单位质量制冷参数SCP是主要的评价指标。在373K的驱动温度下，该光纤的性能系数可达到COPc = 0.7。此外，由于优良的吸附-脱附动力学，该纤维的单位制冷参数可达SCP = 297 w·kg-1，优于商用吸附剂，具有很大的应用潜力。

图5。LiCl @ HGAFS的微波吸收原理及性能

水在微波频率下具有色散和高损耗的特性，是设计宽带吸波体的理想材料。因此，吸湿后的LiCl@HGAFs具有更好的微波吸收性能。如图5所示，吸湿后，该材料在2.5 mm厚度下的有效吸收带宽为8.31GHz-18GHz，在17.3 GHz频率下最低反射损耗RL= -27.9 dB。不吸湿，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的微波吸收机理主要包括电导率损耗、界面极化损耗和偶极极化损耗，微波吸收性能的提高归因于材料吸湿引入的水提供了更多的极化损耗(图5c)。同时，水的引入调整了材料的阻抗，达到了更好的阻抗效果，减少了微波反射，进一步提高了材料的微波吸收能力。

由吸湿孔图气凝胶纤维进行的相关工作使高效的博物馆捕获、热量分配和微波吸收成为可能，发表在《自然通讯》上。西北工业大学博士生侯英来和中国科学院苏州纳米技术研究所副研究员盛是第一作者。中国科学院苏州纳米技术研究所张研究员和西北工业大学孔杰教授是论文的共同作者。本文工作得到了国家重点R&D项目、英国皇家学会-牛顿高级学者基金、国家杰出青年科学基金和国家自然科学基金的支持。

来源:苏州纳米研究所

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