蘇州納米所張學(xué)同團(tuán)隊(duì)-西北工業(yè)大學(xué)孔杰團(tuán)隊(duì)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(jié)構(gòu)可以方便地與其他功能組分結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)材料功能化方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。然而，現(xiàn)有的功能化氣凝膠纖維均為單一功能化材料，如何設(shè)計(jì)多功能集成的智能纖維面臨巨大挑戰(zhàn)。
為此，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張學(xué)同研究員團(tuán)隊(duì)與西北工業(yè)大學(xué)孔杰教授團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)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(yīng)用示意圖
為了提升纖維的吸濕動(dòng)力學(xué)，將氧化石墨烯進(jìn)一步進(jìn)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(fù)載到纖維多孔骨架中。
圖2. HGAFs和LiCl@HGAFs的形貌、結(jié)構(gòu)、電阻及浸潤(rùn)性
通過過氧化氫在高溫下對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行刻蝕處理，氧化石墨烯片層上形成了納米孔（圖2a-c），經(jīng)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(fā)生動(dòng)態(tài)自組裝。所得的打孔石墨烯氣凝膠纖維具有優(yōu)異的柔韌性（彎曲剛度Rf=3.08×10-9 N m2），可以進(jìn)行彎曲、纏繞、打結(jié)和編織（圖2d-f）。由HGAFs與LiCl@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(jié)構(gòu)。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(shí)并未對(duì)纖維本身的導(dǎo)電性能產(chǎn)生明顯的影響（圖2l）。
圖3. LiCl@HGAFs的吸濕性能
通過對(duì)石墨烯片層進(jìn)行刻蝕處理可以顯著增強(qiáng)吸濕纖維的動(dòng)力學(xué)（圖3），在30 min吸濕性石墨烯氣凝膠纖維LiCl@GAFs與LiCl@HGAFs吸濕量分別為1.37g g-1和1.81g g-1，提升了32.1%。并且LiCl@HGAFs在較寬濕度范圍內(nèi)具有高吸濕量，在相對(duì)濕度為90%條件下6小時(shí)的吸濕量可達(dá)4.14 g g-1而不產(chǎn)生泄露,即使在相對(duì)濕度為30%的條件下吸濕量依然可達(dá)0.66g g-1，這是由于LiCl超強(qiáng)的吸濕性以及HGAFs優(yōu)異的限域能力。此外，LiCl@HGAFs具有良好的光響應(yīng)性與電響應(yīng)性。在一個(gè)太陽(yáng)照射下，纖維溫度可在44s內(nèi)從22℃升至46℃，在光熱條件下纖維脫附再生程度可以達(dá)到83.4%。在12V電壓下纖維表面溫度可達(dá)131℃，這個(gè)條件下可以使吸濕后的纖維完全再生。進(jìn)一步的循環(huán)測(cè)試表明，在10次吸附-脫附循環(huán)中，LiCl@HGAFs的吸附量沒有明顯退化，表明其具備良好的穩(wěn)定性。
圖4. LiCl@HGAFs吸附式制熱/制冷原理與性能
基于纖維優(yōu)異的吸濕性能，該纖維可被用于吸附式制熱/制冷系統(tǒng)中。在吸附式制熱/制冷系統(tǒng)中，吸附劑與工質(zhì)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(huì)吸附飽和后，再生過程中，吸附劑吸收熱量(Qregen)并解吸出水蒸汽，水蒸汽隨后被凝結(jié)成液態(tài)水并釋放熱量(Qcon)。上述過程中釋放出的熱量Qads和Qcon都可用于室內(nèi)供暖。在制冷模式下，吸附劑LiCl@HGAFs對(duì)水蒸氣的捕獲將促進(jìn)工質(zhì)水的蒸發(fā)并從環(huán)境中吸收熱量(Qeva)，以達(dá)到制冷的效果。
當(dāng)LiCl@HGAFs應(yīng)用在吸附式制熱系統(tǒng)中時(shí)，儲(chǔ)熱密度和性能系數(shù)COPH是主要參數(shù)指標(biāo)。纖維吸濕過程是一個(gè)明顯的放熱過程，根據(jù)Clausius-Clapeyron方程可以得出在水蒸汽相對(duì)分壓為0.1時(shí)纖維的儲(chǔ)熱密度為0.19kWh kg-1，高于美國(guó)能源部（DOE）的要求（0.071kWh kg-1），具有高能量密度的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)性能系數(shù)COPH可達(dá)1.73，高于硅膠類吸附劑（1.65），適用于熱儲(chǔ)存應(yīng)用。而纖維的吸濕過程會(huì)促進(jìn)工質(zhì)（水）的蒸發(fā)，從而從環(huán)境中吸收熱量，達(dá)到制冷的目的。對(duì)于吸附式制冷系統(tǒng)，性能系數(shù)COPc與單位質(zhì)量制冷參數(shù)SCP是主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。該纖維在373K驅(qū)動(dòng)溫度下性能系數(shù)可達(dá)COPc = 0.7。此外，由于優(yōu)異的吸脫附動(dòng)力學(xué)性能，纖維的單位制冷參數(shù)可達(dá)SCP=297W kg-1，優(yōu)于商用吸附劑，具有極大的應(yīng)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(shè)計(jì)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時(shí)達(dá)到最低的反射損耗RL= -27.9 dB。在未吸濕時(shí)，在中高頻段沒有表現(xiàn)出明顯的吸收性能（反射損耗RL>-10 dB）。LiCl@HGAFs的微波吸收機(jī)制主要包括電導(dǎo)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(shí)，水的引入調(diào)節(jié)了材料的阻抗，實(shí)現(xiàn)了更好的阻抗效果，減少了微波反射，進(jìn)一步提升了材料的微波吸收能力。
相關(guān)工作以Hygroscopic holey graphene aerogel fibers enable highly efficient moisture capture, heat allocation and microwave absorption為題發(fā)表在Nature Communications上，西北工業(yè)大學(xué)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(xué)同研究員與西北工業(yè)大學(xué)孔杰教授為論文共同通訊作者。該論文工作獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、英國(guó)皇家學(xué)會(huì)-牛頓高級(jí)學(xué)者基金、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金等資助。
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