马里兰大学胡良兵《ACS Nano》具有纳米级通道可伸缩木质水凝胶膜

【摘要】

许多努力致力于探索用于各种应用的纳米流体系统，包括水净化和能源生产。然而，在大规模上创建具有可调通道方向和众多纳米通道或纳米孔的坚固纳米流体材料仍然具有挑战性。

最近，马里兰大学胡良兵教授团队展示了一种可扩展且具有成本效益的方法来制造坚固且高导电性的纳米流体木水凝胶膜，其中离子可以跨膜传输。离子导电轻木水凝胶膜是通过将聚乙烯醇（PVA）/丙烯酸（AA）水凝胶渗透到固有的双峰多孔木材结构中制成的。与天然轻木相比，轻木水凝胶膜在径向（编码为 R 方向）和沿纵向（编码为 L 方向）的强度高出 3 倍（52.7 MPa），离子电导率高出 2 个数量级）。在低盐浓度（高达 10 mM）下，轻木水凝胶膜的离子电导率沿 L 方向为 1.29 mS cm-1，沿 R 方向为近 1 mS cm-1。

此外，表面电荷控制的离子传输也使轻木水凝胶膜能够从盐度梯度中获取电能。在 1000 倍盐浓度梯度下获得高达 17.65 μA m-2 的电流密度和 0.56 mW m-2 的输出功率密度，通过增加 AA 含量可以进一步提高到 2.7 mW m-2 25 重量％至 50 重量％。这些发现有助于利用可持续木材开发能量收集系统和其他纳米流体装置。相关论文以题为Scalable Wood Hydrogel Membrane with Nanoscale Channels发表在《ACS Nano》上。

【主图导读】

图 1. (a) 来自天然轻木的一大块木质水凝胶膜。(b) 大规模纳米流体轻木水凝胶膜的示意图，由于排列的纤维素原纤维显示出高强度，并且由于轻木固有的双峰多孔结构显示出快速跨膜离子传输。（c）基于轻木单板的膜的极限拉伸强度和离子电导率，在 10-1 mM 的低 KCl 浓度下显示出综合的高拉伸强度和高离子电导率。(d) 雷达图显示了轻木水凝胶膜（蓝线）、自组装材料（灰线）、聚合物（红线）和硅基纳米结构（黄线）之间的比较。

图 2. (a) 天然轻木内部视图的 SEM 图像，显示射线细胞穿透微通道。(b) 天然轻木血管通道的 SEM 图像。(c) 天然轻木的俯视 SEM 图像，显示了典型的多孔结构。(d) 轻木水凝胶膜（长 40 cm，宽 10 cm）沿轴向的照片。(e) 轻木水凝胶膜的侧视 SEM 图像，表明通道被 PVA/PAA 水凝胶完全阻塞。(f) 一个宽血管通道的 SEM 图像，显示被水凝胶阻塞的结构。(g) PVA/PAA 水凝胶的放大 SEM 图像，显示互连的纳米多孔网络。(h) PVA/PAA 水凝胶填充木材管胞的俯视 SEM 图像。(i) 天然轻木和轻木水凝胶膜的 FT-IR 光谱。(j) 天然轻木和轻木水凝胶膜在 pH 7 下的 ζ-电位。(k) 纤维素和 PVA/PAA 链之间共价交联的示意图，描绘了 PVA/PAA 水凝胶和纤维素之间的氢键。

图 3. (a) L 方向的轻木水凝胶膜的照片。(b) 离子传输垂直于轻木水凝胶膜-L。(c) 在不同 KCl 浓度下，轻木水凝胶膜在 L 和 R 方向的离子电导率。(d) 在不同 KCl 浓度下椴木水凝胶膜在 L 和 R 方向的离子电导率。（e）轻木水凝胶膜（干湿条件下）和天然轻木在 L 方向的应力-应变曲线。(f) 轻木水凝胶膜和天然轻木在 R 方向的应力-应变曲线。(g) PVA/PAA 水凝胶的应力-应变曲线。(h) 水凝胶、天然轻木、椴木、轻木水凝胶膜和椴木水凝胶膜在 10-5 M KCl 浓度下在 R 和 L 方向的离子电导率。(i) 水凝胶、天然轻木、轻木水凝胶膜在 R 和 L 方向的拉伸强度。

图 4. (a) 实验装置示意图：浓度梯度。(b) 在浓度比（1000 倍）下测量的轻木水凝胶膜的 I-V 曲线。(c) 在浓度比（1000 倍）下测量的天然轻木的 I-V 曲线。(d) 开路电压 Voc 作为天然轻木和轻木水凝胶膜的盐梯度的函数。（e）天然轻木和轻木水凝胶膜在不同盐传导下的短路电流（Isc）。(f) 最大功率由天然轻木和轻木水凝胶膜产生。

【总结】

团队开发了一种坚固、高导电性和可扩展的木质水凝胶膜，通过部分脱木素，然后将 PVA/PAA 水凝胶原位形成到天然轻木支架的通道中，并具有 3D 互连的多孔微结构。木质水凝胶膜的 3D 互连介孔结构具有两个固有优势：（1）木质水凝胶保留了来自大量纤维素纳米纤维和水凝胶交联网络的丰富纳米通道。(2) 由于从水凝胶中引入了丰富的 -COOH 和 -OH 官能团，获得了具有 -2.53 mC m-2 高电荷密度的带负电表面。特别是，双峰多孔微结构在木材水凝胶膜的离子传输中起着重要作用。这些特性赋予木材水凝胶膜 52.7 MPa 的高拉伸强度和显着提高的离子电导率（在低于 10 mM 的低浓度下约为 1 × 10-3 S cm-1，比天然轻木高 2 个数量级）。这种木质水凝胶膜在离子传输和机械强度之间实现了良好的平衡。在不损失膜结构完整性和强度的情况下获得快速跨膜离子传输。此外，当 AA 含量从 25 重量％增加到 50 重量％时，木材水凝胶膜在 1000 倍盐度梯度下的最大输出功率密度为 2.7 mW m-2。通过旋转切割和化学改性，团队可以放大当前的轻木膜，为实际应用提供盐度梯度功率。木质水凝胶膜代表了一种可扩展、绿色和可再生的纳米流体材料，可以预见木质材料在可持续能源收集方面的重大进展。

参考文献：

doi.org/10.1021/acsnano.0c10117

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