工業(yè)生產(chǎn)以及化石燃料的消耗,導(dǎo)致大氣中的二氧化碳含量不斷增加,直接加劇全球溫室效應(yīng)。如何高值化利用二氧化碳,已成為各國研究人員亟需解決的難題。其中,最為理想的情況是將二氧化碳的轉(zhuǎn)化與工業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合,將有望實(shí)現(xiàn)節(jié)約能耗和高效利用二氧化碳的雙重目的。工業(yè)生產(chǎn)中最常見的是非牛頓流體材料,其在造紙紙漿、涂料施工、化學(xué)品合成以及材料成型加工等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。剪切增稠和剪切變稀是工業(yè)非牛頓流體材料最常見的兩種剪切流變形式,在實(shí)際應(yīng)用時(shí),當(dāng)流體進(jìn)行管道運(yùn)輸、涂料施涂或物料攪拌時(shí),我們希望流體的黏度能夠剪切變稀以減少能耗或?qū)υO(shè)備造成的傷害;而當(dāng)需要材料緩沖和減震時(shí),我們則又希望流體能夠有效剪切增稠吸收能量。然而目前的流體材料均缺乏對環(huán)境的刺激響應(yīng)性,即無法能夠針對環(huán)境的變化進(jìn)行性能的調(diào)整,非牛頓流變行為模式單一。
北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院青年教師郝翔長期致力于非牛頓流體材料應(yīng)用研究,在通過大量對淀粉糊、紙漿以及納米纖維素濃溶液流變特性研究的基礎(chǔ)上,前期已實(shí)現(xiàn)制備了新型非平衡態(tài)非牛頓流體材料(Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 4314-4319)。近期,通過與復(fù)旦大學(xué)閆強(qiáng)教授課題組進(jìn)一步合作,開發(fā)出一類新型二氧化碳刺激控制非牛頓流體材料。該研究首次提出通過二氧化碳調(diào)節(jié)非牛頓流體材料剪切流變行為,實(shí)現(xiàn)非牛頓流體材料在剪切增稠和剪切變稀之間可逆切換,為二氧化碳的高效利用提供了全新的思路。
圖1. 流體材料剪切增稠與剪切變稀氣體調(diào)控示意圖
該研究通過巧妙的設(shè)計(jì)一類全新的聚電解質(zhì),將二氧化碳作為刺激源調(diào)節(jié)超分子相互作用,通過大分子微觀結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)一步調(diào)控材料流變行為。通過篩選出一系列二氧化碳響應(yīng)型聚電解質(zhì)溶液,使其能夠在二氧化碳刺激下表現(xiàn)出剪切增稠行為,而通入氮?dú)夂髣t可恢復(fù)剪切變稀,整個(gè)過程可反復(fù)循環(huán)多次。與外加酸/堿形式調(diào)控材料靜電荷的方式相比,利用二氧化碳調(diào)控材料的方式綠色、無毒且循環(huán)性能好。該研究為二氧化碳在工業(yè)流體材料領(lǐng)域大規(guī)模利用提供了可能。
本文以“CO2-Switchable Non-Newtonian Fluids”發(fā)表于國際權(quán)威期刊《Green Chemistry》(IF=9.405),并被選為封面文章(Back cover)。本文第一作者為北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院青年教師郝翔,通訊作者分別為北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院彭鋒教授和復(fù)旦大學(xué)閆強(qiáng)教授,北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院為第一單位。
該工作得到北京林業(yè)大學(xué)中央高;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金和國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目資助。
文章鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/gc/d0gc00877j/unauth#!divAbstract
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