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  通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維材料是近十幾年來(lái)世界材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域重要的學(xué)術(shù)與技術(shù)活動(dòng)之一。利用靜電紡絲材料的纖維形貌，孔隙率均一可調(diào)，比表面積大等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，使其可以廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)用、過(guò)濾及防護(hù)、催化、能源、光電、食品工程、化妝品等眾多領(lǐng)域。發(fā)色團(tuán)分子由于其自身的“D-π-A”結(jié)構(gòu)，可以在活化狀態(tài)下，通過(guò)高壓電場(chǎng)的極化作用而發(fā)生一致取向，這種特性使其廣泛應(yīng)用于非線性光學(xué)膜材料。

  長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)高等研究院和化學(xué)工程學(xué)院的王世偉教授課題組首次將靜電紡絲技術(shù)應(yīng)用于發(fā)色團(tuán)分子的取向，并將這種薄膜應(yīng)用于鋰離子電池中間隔膜中，結(jié)果顯示由于取向的發(fā)色團(tuán)的引入，顯著增強(qiáng)了鋰離子在薄膜中的傳導(dǎo)率。如圖1所示，典型的發(fā)生團(tuán)分子DR₁在PVDF粘稠的溶液中處于活化狀態(tài)，結(jié)合靜電紡絲過(guò)程中高壓直流電場(chǎng)的作用，DR₁分子發(fā)生一致取向，當(dāng)溶劑揮發(fā)完全，在薄膜中，DR₁分子的取向得以固定，得到了具有取向結(jié)構(gòu)的PVDF/DR₁靜電紡絲纖維膜。如圖2所示，通過(guò)測(cè)試薄膜鋰離子電導(dǎo)率，可以發(fā)現(xiàn)，薄膜的鋰離子電導(dǎo)率隨著DR₁分子含量的增加而增強(qiáng)，但隨著其分子濃度的增加其相容性會(huì)有所下降，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)DR₁在聚合物中2%重量比情況下薄膜電導(dǎo)率最高，而且靜電紡絲電壓越大，薄膜的鋰離子電導(dǎo)率越大，最大值可以達(dá)到52 ms.cm^-1, 而純PVDF同樣方法制備的薄膜同樣方法測(cè)試，其鋰離子電導(dǎo)率只有3.61 ms.cm^-1。

圖1 a) 為發(fā)色團(tuán)DR₁和DO₂₅的分子結(jié)構(gòu)示意圖；b) 靜電紡絲示意圖；c) 鋰離子在薄膜中傳輸過(guò)程示意圖；d) 電紡絲誘導(dǎo)發(fā)色團(tuán)分子取向過(guò)程示意圖。

圖2 a) PVDF/DR₁紡絲膜表面接觸角隨紡絲電壓變化；b) PVDF/DR₁紡絲膜電導(dǎo)率隨DR1濃度的變化；c)和d)分別為 PVDF/DR₁和PVDF/DO₂₅紡絲膜電導(dǎo)率隨紡絲電壓的變化。

  PVDF/DR₁電紡絲薄膜鋰離子傳輸增強(qiáng)的現(xiàn)象一定是DR₁分子發(fā)生取向?qū)е碌�，那么一個(gè)新的問(wèn)題出現(xiàn)了：鋰離子傳輸增強(qiáng)是由于DR₁分子中分布不均勻的電子云結(jié)構(gòu)（偶極結(jié)構(gòu)）引起的，還是分子鏈兩端連接的親疏水官能團(tuán)導(dǎo)致的呢？因此，接下來(lái)作者選用了與DR₁分子結(jié)構(gòu)相似的DO₂₅重復(fù)上述試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)PVDF/DO₂₅電紡絲薄膜的鋰離子傳導(dǎo)率并沒(méi)有提高（如圖2d所示）, DO₂₅與DR₁的分子結(jié)構(gòu)的區(qū)別就在于DO₂₅分子結(jié)構(gòu)的兩端都是疏水基團(tuán)，而DR₁分子鏈結(jié)構(gòu)的兩端分別是親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)，可以推斷，PVDF/DR₁薄膜鋰離子傳輸增強(qiáng)的機(jī)理應(yīng)該是DR₁分子取向，分子鏈兩端的親水和疏水官能團(tuán)也隨之翻轉(zhuǎn)，親水的羥基可以吸引鋰離子，而疏水基團(tuán)排斥鋰離子，如圖3所示，導(dǎo)致了鋰離子在取向的DR₁薄膜中，不斷向前吸引和交替排斥，促使了它快速地傳輸?shù)奖∧ち硪幻�。而沒(méi)有親水基團(tuán)的DO₂₅分子雖然也會(huì)發(fā)生取向，但確沒(méi)有顯著地增強(qiáng)鋰離子電導(dǎo)率。

圖3 PVDF/DR₁靜電紡絲膜鋰離子傳輸增強(qiáng)機(jī)理示意圖。

  該工作中，作者通過(guò)薄膜表面接觸角（圖2a）,拉曼光譜等表征手段證實(shí)了DR₁分子在紡絲過(guò)程中取向的過(guò)程（圖4）。采用掃描電鏡表征了薄膜表面的纖維形貌。

圖4 PVDF/DR₁靜電紡絲膜拉曼光譜圖。

  以上研究成果近日發(fā)表于Journal of Materials Chemistry A, 論文的第一作者是長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)高等研究院和化工學(xué)院碩士研究生高立峰，通訊作者是長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)化學(xué)與工程學(xué)院王世偉教授。汕頭大學(xué)的段連峰教授在鋰離子電池的制備與表征方面給予了很多幫助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D0TA11838A