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CEJ：中大周劍課題組在丙烯酰胺輔助真空干燥制備高性能氣凝膠方向取得新進(jìn)展

來源：中山大學(xué) 2022-10-17

導(dǎo)讀：近日，中山大學(xué)周劍副教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種氣凝膠材料的補(bǔ)償策略制備方法并以此法制備了導(dǎo)電氣凝膠聚3，4-乙烯二氧噻吩/ 聚苯乙烯磺酸（PEDOT/PSS）。通過調(diào)整PEDOT/PSS與丙烯酰胺的重量比和干燥溫度，得到了低密度(6.3-21.6 mg/cm3)、高孔隙率(>99%)和低收縮率(5.3%)的氣凝膠，并且氣凝膠電導(dǎo)率可達(dá)81.1 S/m。該氣凝膠被用作濕氣發(fā)電的綠色能源的收集。

氣凝膠是由高達(dá)99.98%的空氣組成的超多孔三維（3D）結(jié)構(gòu)，并以細(xì)胞狀或纖維狀網(wǎng)絡(luò)作為骨架支撐。它有著出色的物理性能，例如超低密度、高比表面、低熱導(dǎo)、低聲阻抗等，使其在能量儲存、化學(xué)催化、電子傳感器、聲絕緣體、航空航天以及熱絕緣領(lǐng)域都表現(xiàn)出巨大潛力。但由于其常見的制備技術(shù)如冷凍干燥（Freezing-drying）及超臨界流體干燥（supercritical drying）常存在極端制備條件而導(dǎo)致高耗能、高耗時等弊端以及所需設(shè)備條件較為嚴(yán)苛等問題而難以滿足氣凝膠材料在諸多領(lǐng)域日益增長的需求。因此，如何在低能耗、低耗時的情況下制備高性能氣凝膠仍是研究熱點(diǎn)。

鑒于此，中山大學(xué)周劍副教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種氣凝膠材料的補(bǔ)償策略制備方法并以此法制備了導(dǎo)電氣凝膠聚3，4-乙烯二氧噻吩/ 聚苯乙烯磺酸（PEDOT/PSS）。通過調(diào)整PEDOT/PSS與丙烯酰胺的重量比和干燥溫度，得到了低密度(6.3-21.6 mg/cm3)、高孔隙率(>99%)和低收縮率(5.3%)的氣凝膠，并且氣凝膠電導(dǎo)率可達(dá)81.1 S/m。該氣凝膠被用作濕氣發(fā)電的綠色能源的收集。文章以“Compensation strategy for constructing high-performance aerogels using acrylamide-assisted vacuum drying and their use as water-induced electrical generators”為題，在線發(fā)表于在期刊《Chemical Engineering Journal》上。

圖1. 補(bǔ)償策略分散體系示意圖

本文提出的氣凝膠干燥方法主要依托于：在丙烯酰胺和PSS間的酸堿相互作用和丙烯酰胺對PEDOT的極性作用下，冷凍后形成的丙烯酰胺晶體在其中的功能類似于在創(chuàng)建多孔結(jié)構(gòu)時冰晶在冷凍干燥中的作用，從而構(gòu)建出PEDOT/PSS三維多孔結(jié)構(gòu)。之后在高溫（80℃或110℃）真空干燥下，丙烯酰胺晶體下緩慢升華，保持固體狀態(tài)的PEDOT/PSS的多孔結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)氣凝膠制備。

圖2. 氣凝膠制備過程原理

此外，研究人員以上述所制備的氣凝膠為基礎(chǔ)，還發(fā)現(xiàn)丙烯酰胺的加入可以提高PEDOT/PSS氣凝膠的導(dǎo)電性。通過拉曼光譜分析，丙烯酰胺促進(jìn)了PEDOT苯式結(jié)構(gòu)向醌式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化，提高了導(dǎo)電性。團(tuán)隊(duì)成員將上述PEDOT氣凝膠應(yīng)用于濕氣發(fā)電領(lǐng)域中，通過親水基團(tuán)的吸水作用，其內(nèi)部可解離的化學(xué)基團(tuán)發(fā)生不同程度的離子吸附，產(chǎn)生電勢差，實(shí)現(xiàn)濕氣發(fā)電。

圖3.PEDOT氣凝膠在濕氣發(fā)電（圖a-c）上的應(yīng)用及電導(dǎo)增強(qiáng)原理（圖d-e）

所述文章中，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士生范俊呈為本文的第一作者，本科生李恒瑞為第二作者，周劍副教授為通訊作者。

原文鏈接：Juncheng Fan，HengruiLi，SongsongTang，BoxiaoLi，YangyangXin，You-Lo Hsieh，JianZhou*. Compensation strategy for constructing high-performance aerogels using acrylamide-assisted vacuum drying and their use as water-induced electrical generators. Chemical Engineering Journal. 2023, 452, 139685.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722051646?ref=cra_js_challenge&fr=RR-1

參考資料：https://mse.sysu.edu.cn/article/2360

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