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        1. 蘇州納米所張學同團隊-西北工業大學孔杰團隊合作 Nature Communications:多功能氣凝膠吸濕纖維

            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,現有的功能化氣凝膠纖維均為單一功能化材料,如何設計多功能集成的智能纖維面臨巨大挑戰。 

            為此,中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張學同研究員團隊與西北工業大學孔杰教授團隊合作,通過將吸濕鹽LiCl引入到打孔石墨烯氣凝膠纖維中,得到一種具有吸濕性的石墨烯氣凝膠智能纖維(LiCl@HGAFs),實現了空氣取水、吸附式制冷/制熱與寬頻微波吸收多功能的集成化。 

              圖1. LiCl@HGAFs吸濕纖維的制備及應用示意圖 

            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、氫碘酸還原和超臨界干燥,制備出了打孔石墨烯氣凝膠纖維(HGAFs)(圖1)。隨后,以HGAFs為多孔骨架,使用浸漬的方法將LiCl負載到纖維多孔骨架中。 

              圖2. HGAFsLiCl@HGAFs的形貌、結構、電阻及浸潤性 

            通過過氧化氫在高溫下對氧化石墨烯進行刻蝕處理,氧化石墨烯片層上形成了納米孔(圖2a-c),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=3.08×10-9 N m2),可以進行彎曲、纏繞、打結和編織(圖2d-f)。由HGAFsLiCl@HGAFs的掃描電鏡圖可知,LiCl均勻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引入使得LiCl@HGAFs纖維變得更加親水(接觸角從132.6°下降到了67.3°,圖2m),同時并未對纖維本身的導電性能產生明顯的影響(圖2l)。 

              圖3. LiCl@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(圖3),在30 min吸濕性石墨烯氣凝膠纖維LiCl@GAFsLiCl@HGAFs吸濕量分別為1.37g g-11.81g g-1,提升了32.1%。并且LiCl@HGAFs在較寬濕度范圍內具有高吸濕量,在相對濕度為90%條件下6小時的吸濕量可達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達0.66g g-1,這是由于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。在一個太陽照射下,纖維溫度可在44s內從22升至46,在光熱條件下纖維脫附再生程度可以達到83.4%。在12V電壓下纖維表面溫度可達131,這個條件下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,表明其具備良好的穩定性。 

              圖4. LiCl@HGAFs吸附式制熱/制冷原理與性能 

            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。在吸附式制熱/制冷系統中,吸附劑與工質水之間的熱量傳遞如圖4所示。在制熱模式下,吸附劑LiCl@HGAFs捕獲水分子并釋放吸附熱(Qads)。吸附劑會吸附飽和后,再生過程中,吸附劑吸收熱量(Qregen)解吸蒸汽,水蒸汽隨后被凝結成液態水并釋放熱量(Qcon)。上述過程中釋放出的熱量QadsQcon可用于室內供暖。在制冷模式下,吸附劑LiCl@HGAFs對水蒸氣的捕獲將促進工質水的蒸發并從環境中吸收熱量(Qeva),以達到制冷的效果。 

            LiCl@HGAFs應用在吸附式制熱系統中時,儲熱密度和性能系數COPH是主要參數指標。纖維吸濕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0.19kWh kg-1,高于美國能源部(DOE)的要求(0.071kWh kg-1),具有高能量密度的優勢,同時性能系數COPH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。對于吸附式制冷系統,性能系數COPc與單位質量制冷參數SCP是主要評價指標。該纖維在373K驅動溫度下性能系數可達COPc = 0.7。此外,由于優異的吸脫附動力學性能,纖維的單位制冷參數可達SCP=297W kg-1,優于商用吸附劑,具有極大的應用潛力。 

              圖5. LiCl@HGAFs的微波吸收原理與性能 

            水在微波頻率下具有色散和高損耗的特性,是設計寬頻吸收器的理想材料。因此吸濕后LiCl@HGAFs具有更好微波吸收性能。如圖5所示,在吸濕之后,材料在2.5 mm厚度下有效吸收頻寬在8.31GHz-18GHz,在頻率為17.3 GHz達到最低的反射損耗RL= -27.9 dB。在未吸濕時,在中高頻段沒有表現出明顯的吸收性能(反射損耗RL>-10 dB)。LiCl@HGAFs的微波吸收機制主要包括電導損耗、界面極化損耗和偶極子的極化損耗,而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(圖5c),同時,水的引入調節了材料的阻抗,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。 

            相關工作以Hygroscopic holey graphene aerogel fibers enable highly efficient moisture capture, heat allocation and microwave absorption為題發表在Nature Communications上,西北工業大學博士生侯英來與中科院蘇州納米所副研究員盛智芝為共同第一作者,中科院蘇州納米所張學同研究員與西北工業大學孔杰教授為論文共同通訊作者。該論文工作獲得了國家重點研發計劃、英國皇家學會-牛頓高級學者基金、國家杰出青年科學基金、國家自然科學基金等資助。 

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