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超低密度纳米纤维气凝胶,超强的空气/污水净化能力

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  背景介绍

  气凝胶自从1931年首次提出以来就因其卓越的特性而受到关注,如超高表面积(低至100 m2g –1),超低导热率(低至12 Mw M –1 K –1)和超低体积密度(1.2×10 –4 g cm –3)。目前,由二氧化硅制备的气凝胶已经成功地商业化,全球市场每年增长。由其他材料(粘土、石墨烯、碳纳米管以及这些材料与二氧化硅的复合材料)制备的气凝胶正在研究中,并有望在未来使用。相比之下,由可生物降解材料(尤其是天然生物材料)制备的气凝胶由于其性能(可持续性、无毒性、表面易变性、组织再生性)以及在食品、空气/水净化中的潜在应用而受到关注。然而,天然生物材料气凝胶的制造面临挑战,如,由纤维素制备的气凝胶具有相对较低的机械强度,涉及有机溶剂和有毒化学物质。

  气凝胶的性质主要取决于前体的浓度和形式以及所用交联的类型。具有超低密度的气凝胶必须满足以下几个标准:(i)溶液中的前驱物浓度低;(ii)建立3D网络的多孔结构;(iii)流体去除过程中的稳定性而不破坏结构;(iv)前体之间的交联。由交联分子前体组成的气凝胶在基质中保持孔结构具有挑战性。为了应对这一挑战,纳米和微米大小的颗粒通常在气凝胶制造过程中用作致孔剂,以增加孔径/孔隙率,降低密度。但是,在这些材料的制备过程中,诸如异质粒度分布,机械强度损失以及热传导和耗散之类的问题仍然是挑战。

  基于此,美国塔夫茨大学报告了一种溶剂焊接方法,通过苯乙醇(PEA)交联冻干的丝纳米纤维(SNF)3D网络,形成低密度的气凝胶。PEA是一种芳香族醇,通常用作食品和化妆品中的防腐剂和香料成分,无毒性,被用作焊接溶剂。相关结果“Low-Density Silk Nanofibrous Aerogels: Fabrication and Applications in Air Filtration and Oil/Water Purification”发表在期刊《ACS Nano》

  结果与讨论

  气凝胶制备过程分为三个步骤:成型,冻干和基于PEA的焊接(图1a)。首先,通过电纺制备直径约300-400 nm的丝纳米纤维(SNF),水退火处理3 h,然后悬浮在超纯水中并均质化。将悬浮液通过超声处理或在高速搅拌下进行冷干处理。最后,在密封容器中暴露于PEA蒸气中1 h。与通过化学反应交联的丝素蛋白气凝胶相比,该过程形成的SNFA机械强度更高、密度更低。芳香族醇分子(PEA)在纳米纤维的焊接发挥双重作用(图1 b):首先,当PEA蒸气与丝纳米纤维对接时,它溶解了纤维的无定形区,溶解区域中的丝绸分子经历结构转变成β-折叠,并在PEA蒸发后形成强烈的分子间相互作用。该过程导致相交的纳米纤维在接合点处融合。另外,由于附着的PEA液滴的表面蚀刻,纳米纤维表面产生纳米孔(图1a,b)。用硫黄素(ThT)染色处理,荧光图像(图1 c)显示,水蒸汽处理诱导异构β折叠晶体区域; 乙醇蒸气诱导β-sheet晶体束;而PEA蒸气诱导小而均匀匀的纳米晶体。这是分子间相互作用不同导致的。

  

  图1. SNFA制造策略的示意图。(a)SNFA的制造过程。(b)PEA在纳米纤维上的溶剂焊接和孔形成中的作用。(c)用ThT染色的丝膜中的β-折叠堆叠的荧光显微镜图像。(d)用单羟基脂族醇(甲醇,乙醇等)和芳族醇(例如PEA)处理过的SNF中β片层晶体的分布示意图。

  SNFA的密度取决于冷冻干燥前溶液中SNF的浓度和分布。当SNF浓度降低至0.03%,SNFAs密度为3.5 mg/cm3(图2a)。SNFAs是高疏水性的,水接触角为126.7±0.9°-140.9±0.9°(图2b)。水滴接触SNFAs并弹起过程中液滴几乎没有变形,表明在气凝胶表面上的水附着力极低(图2c)。冻干前SNFs在溶液中的分散决定了SNFs的取向和气凝胶的机械强度,在搅拌下制备的SNFA是单向取向,而在超声下制备的SNF呈随机取向(图2 d)。与先前报道的SNFA相比,由不同浓度(0.03-1%wt)的SNF具有更高的抗压强度(径向应变为201.4±10.1 kPa,轴向应变为81.9±5.2 kPa)。

  

  图2. SNFA的物理和形态表征。(a)SNFA的密度和(b)与水的接触角。(c)用高速相机记录的实时图像显示水滴在0.1%SNFA的表面反弹。(d)具有不同SNF浓度的SNFA的SEM图像。(a)U型气凝胶,(b–e)S型气凝胶。

  SNFA可用于从水中分离油,且具有高选择性,将SNFA滴在大豆油/水混合液时,油迅速吸收到SNFA中,大约40 s后,气凝胶充满浅黄色(图3a)。SNFA吸油性能优异,品质因数(Q)为29.7-40.3(图3b),是其他报道的丝绸气凝胶的1.6–3.4倍,且Q随时间线性增加。对于所有测试的油,SNFA均显示出高油含量(90–99%)和非常低的水含量(1–10%)

  作者接着设计了原型空气净化器以研究SNFA的过滤效率。在真空过滤装置的上杯中燃烧香烟以产生空气污染颗粒物(PM),然后将其从下收集瓶中抽真空10分钟,并测试固定在两个腔室之间的过滤器。滤纸对照组没有PM通过,滤纸的颜色没有改变;对于市售3 M口罩对照组,PM容易通过过滤器,进入收集瓶,少量PM附着在过滤层上。对于SNFA组,上杯中的白烟几乎消失了,而下瓶保持清晰, SNFA清晰可见棕色污渍(图3 e)。SEM图像显示许多微粒被纳米纤维网络截留(图3 f)。SNFA的过滤效率是医用外科、KN95和3 M口罩的3.19、2.36和1.67倍(图3 g,h)。

  

  图3. SNFA对油和PM的吸附。使用SNFA从水中选择性吸收大豆油。(a)SNFA从水中选择性吸收大豆油的图像。(b)豆油吸收量随时间的变化(c)吸收油后漂浮在水和SNFA上的不同油的图像。(d)浸泡后的SNFA中的水和油的比例。(e)使用自制的真空过滤设备,SNFA吸附PM。(f)烟雾测试前后的过滤器。(g)过滤效率测试。(h)SNFA与各种商用口罩的过滤层之间的过滤效率之比。

  结论

  作者通过PEA溶剂焊接电纺丝纳米纤维,开发一种超低密度SNFA。冻干法有助于将来的大规模生产。相交的SNF的牢固焊接、β片结构以及SNF的单向取向导致SNFA的坚固的材料性能,包括低密度、较高的抗压强度和高疏水性。SNFA在吸收PM 2.5和水处理方面显示出广阔的应用前景。

  相关文献:https://doi.org/10.1021/acsnano.0c07896

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