80电影天堂网,少妇高潮一区二区三区99,jαpαnesehd熟女熟妇伦,无码人妻精品一区二区蜜桃网站

搜索：  
廈門大學(xué)葉美丹/曹學(xué)正 Adv. Mater.：基于陽離子特異性調(diào)控的強韌水-氣凝膠用于具有超高穩(wěn)定性的多功能傳感和準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)
2024-02-20  來源：高分子科技

  水凝膠以其高含水量為特征，是一種通用的交聯(lián)聚合物材料，在植入式電子、儲能設(shè)備、軟機(jī)器人、涂層、組織工程、藥物遞送等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。然而，水凝膠較差的機(jī)械韌性和長期穩(wěn)定性限制了其實際應(yīng)用范圍。此外，氣凝膠是一種納米級的多孔固態(tài)新型材料，具有高比表面積、高空隙率、低密度等結(jié)構(gòu)特點，廣泛應(yīng)用在隔熱、隔音、催化、儲能等領(lǐng)域，但是其高孔隙率也使它們面臨機(jī)械穩(wěn)定性方面的挑戰(zhàn)。因此，能否制備一種能夠結(jié)合這兩類凝膠材料優(yōu)勢的物質(zhì)，賦予水凝膠可控的含水量、彈性和長效穩(wěn)定性，并賦予氣凝膠強韌的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)？


  自19世紀(jì)末Hofmeister效應(yīng)（離子特異性效應(yīng)）被提出后，人們發(fā)現(xiàn)鹽離子對水溶液中大分子的溶質(zhì)行為的影響普遍遵循Hofmeister離子序列。在水凝膠體系中引入鹽離子可以對水凝膠的力學(xué)性能、電學(xué)性能、熱力學(xué)性能等產(chǎn)生顯著影響，在水凝膠領(lǐng)域引起了極大的關(guān)注。研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了具有離子特異性效應(yīng)的聚合物，并進(jìn)一步制備了具有廣泛可調(diào)性和優(yōu)異機(jī)械性能的水凝膠。同時，從分子水平上研究了離子-聚合物鏈-水相互作用，并且探索了聚合物的溶解度和膨脹性，以了解不同離子的影響。然而，目前關(guān)于不同陰離子的鹽析和鹽入現(xiàn)象的離子特異性效應(yīng)已有一些共識，但大多數(shù)研究人員將陽離子歸類為鹽入現(xiàn)象，這意味著陽離子會降低聚合物鏈的交纏和結(jié)晶度。那么，陽離子能否展示鹽析現(xiàn)象，并實現(xiàn)與陰離子類似的離子特異性效應(yīng)呢？



  針對上述問題，廈門大學(xué)葉美丹教授和曹學(xué)正副教授團(tuán)隊開發(fā)了包括硼砂預(yù)凝膠化、鹽水浸泡、冷凍干燥和再水合的多步驟策略來制造具有陽離子特異性的聚乙烯醇（PVA）凝膠，表現(xiàn)出對凝膠機(jī)械性能影響的特定順序。該制備策略的多重效應(yīng)，包括陽離子之間的靜電排斥、氧化石墨烯納米片的骨架支撐功能以及離子的吸水和保水作用，賦予了凝膠具有水凝膠和氣凝膠（即水-氣凝膠）的雙重特性。用陽離子鹽析效應(yīng)制備的水-氣凝膠顯示出吸引人的壓力傳感性能，具有超過90天的優(yōu)異穩(wěn)定性，并能夠?qū)崟r連續(xù)監(jiān)測環(huán)境濕度和在海水中有效工作以檢測各種參數(shù)（例如深度、鹽度和溫度）。利用陽離子鹽入效應(yīng)制備的凝膠可作為超級電容器中的準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)，在10，000次循環(huán)后電容保持率為99.59%。該文章發(fā)表在國際頂級期刊Advanced Materials上。周豪為本文第一作者。 


圖1：用不同處理方法制備凝膠的流程示意圖和相應(yīng)的微觀形態(tài)。


  本文首先探索了如何使得PVA/氧化石墨烯凝膠對陽離子產(chǎn)生特異性表達(dá)，根據(jù)圖1a所示的制備步驟，通過硼砂的預(yù)交聯(lián)作用，他們成功地制備出了具有層狀結(jié)構(gòu)的凝膠。而未經(jīng)硼砂作用的PVA凝膠則出現(xiàn)不規(guī)則的團(tuán)聚。隨后，他們對不同離子的特異性表達(dá)做了細(xì)致的研究。如圖2所示，使用不同陽離子對PVA凝膠進(jìn)行處理，對其機(jī)械性能、光譜進(jìn)行了細(xì)致的研究。他們選取了具有代表性的Ca2+和Zn2+離子，深入研究了在陽離子處理后，凝膠內(nèi)部的結(jié)晶行為。具有層狀結(jié)構(gòu)的B-PGCa在表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能的同時，其結(jié)晶度出現(xiàn)了顯著的增強。結(jié)合分子動力學(xué)模擬（圖3a）的結(jié)果，得出了以下結(jié)論：無論是陽離子、陰離子還是聚合物，其親水基團(tuán)都會在水中發(fā)生疏水水合作用，從而不斷地“奪取”水分子形成水合層。以PVA為例，溶液中強烈水合的陰離子可以破壞PVA的疏水水合作用，阻止PVA鏈上的羥基與水分子之間的氫鍵形成。因此，PVA的羥基之間形成更多的氫鍵導(dǎo)致鹽析效應(yīng)，這與大多數(shù)鹽析效應(yīng)的研究結(jié)果一致。類似地，陽離子也會發(fā)生疏水水合作用。然而，陽離子的電荷密度和離子半徑較陰離子小，因此其水合能力較低。因此，它們的離子特異性行為并不明顯。當(dāng)與強烈水合的離子（例如SO42-）配對時，陽離子的水合效應(yīng)完全被掩蓋。更重要的是，陽離子的水合能力一般也弱于親水性聚合物，所以陽離子無法穿透由親水性聚合物形成的水合層，并且無法誘導(dǎo)PVA的羥基之間形成氫鍵。然而，硼砂和PVA之間的預(yù)反應(yīng)可以形成硼酸酯鍵（圖1a），這些鍵固定了與水分子結(jié)合的PVA中的羥基。在硼砂交聯(lián)后，脂肪醚中的醚氧原子取代了羥基與陽離子形成配對。凝膠的性質(zhì)主要受自由陽離子和聚合物網(wǎng)絡(luò)中結(jié)合的陽離子之間的相互作用控制。離子-離子相互作用的強度可以根據(jù)庫侖定律來考慮，該定律指出靜電相互作用力與電荷大小成正比，與它們之間距離的平方成反比。離子的作用效果可以從增加斥力（具有高電荷密度的小離子）到增加解離（具有低電荷密度的大離子）進(jìn)行排列。因此，對于不同水-氣凝膠的陽離子特異性，必須綜合考慮陽離子與脂肪醚的結(jié)合能力和電荷密度。  


圖2：不同陽離子對凝膠的力學(xué)性能、光譜和結(jié)晶度的影響。

  總的來說，金屬陽離子不再被這些羥基形成的水合層所排斥，它們與PVA相互作用時表現(xiàn)出兩種效應(yīng)：（1）靜電斥力（圖3b）：以Ca2+離子為例，它們最初附著在聚合物鏈上。然而，一旦可用的結(jié)合位點飽和，附著的Ca2+離子將受到自由Ca2+離子的斥力作用，導(dǎo)致“擠壓”效應(yīng)。（2）離子水合：雖然陽離子的水合能力較陰離子弱，但在硼砂預(yù)處理削弱聚合物的水合能力后，也不能忽視陽離子水合的潛在影響。因此，陽離子的特異性行為可以解釋如下：堿金屬和堿土金屬的陽離子具有較高的電荷密度和較強的水合能力，使它們能夠在B-PGX中形成分層結(jié)構(gòu)。這些分層結(jié)構(gòu)使它們能夠從周圍環(huán)境吸收水分，從而將B-PGX從氣凝膠轉(zhuǎn)化為具有出色的柔韌性和穩(wěn)定性的水-氣凝膠。


  本文開發(fā)了一種有效的策略，利用鹽入（例如，Al3+、Zn2+、Co2+、Ni2+和Cu2+）和鹽析（例如，Ca2+、Li+和Mg2+）現(xiàn)象在PVA凝膠中實現(xiàn)陽離子特異性。硼酸鹽鍵被用來抑制親水性聚合物的水合作用，弱水合陰離子（例如Cl-）被采用作為配對物，制備具有陽離子特異性的PVA凝膠。陽離子之間的靜電排斥使得水合取代成為影響凝膠性能的主要因素。通過選擇具有鹽析效應(yīng)的陽離子（例如Ca2+），并將氧化石墨烯（GO）納米片作為框架材料，可以通過靜電排斥誘導(dǎo)PVA凝膠的結(jié)晶，從而實現(xiàn)均勻的交錯層狀網(wǎng)絡(luò)的形成。經(jīng)過冷凍干燥和環(huán)境條件下的再水合處理后，所得到的PVA凝膠展現(xiàn)出水凝膠和氣凝膠的結(jié)合體，即具有高壓縮應(yīng)變和長期抗壓性（30天，50%應(yīng)變）的水-氣凝膠。相應(yīng)的壓力傳感器顯示出高靈敏度（15.68 kPa-1）、快速響應(yīng)時間（5 ms）和超過90天的循環(huán)測試期間的優(yōu)異穩(wěn)定性。此外，由于其吸水、可壓縮和含鹽特性，水-氣凝膠可以實時監(jiān)測濕度并檢測海水的各種參數(shù)（例如深度、鹽度和溫度）。特別的是，未經(jīng)硼酸預(yù)處理具有鹽入效應(yīng)的水-氣凝膠在超級電容器中表現(xiàn)出優(yōu)異的準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)性能，展現(xiàn)出39.2 F g-1的高比容量和經(jīng)過10，000次循環(huán)后99.59%的比容量保持率。


圖3：分子動力學(xué)模擬結(jié)果和提出的PVA凝膠的陽離子特異性機(jī)制。


  原文鏈接：Zhou, H., Wei, X., Liu, A., Wang, S., Chen, B., Chen, Z., Lyu M., Guo W., Cao X., Ye, M. Tough Hydro‐Aerogels with Cation Specificity Enabled Ultra‐High Stability for Multifunctional Sensing and Quasi‐Solid‐State Electrolyte Applications. Advanced Materials.  

  https://doi.org/10.1002/adma.202313088


作者簡介


  葉美丹，廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授，研究領(lǐng)域包括微納米功能材料的可控合成和機(jī)理研究，電化學(xué)儲能器件以及可穿戴生物傳感器的制備研究。在J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Energy. Mater., Nano Lett., Energy Storage Mater.等期刊發(fā)表論文80多篇，出版相關(guān)英文專著兩本和專著章節(jié)四篇，文章他引5400余次，H因子37。


  曹學(xué)正，廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授/博導(dǎo)，研究聚焦于發(fā)展高分子軟物質(zhì)物理理論和跨尺度多場景模擬方法，為研發(fā)多功能高分子材料，解碼生物高分子體系，設(shè)計新能源聚合物基體等提供理論與模擬基礎(chǔ)。圍繞所開展的工作，迄今在Adv. Mater., ACS Macro Lett.，ACS Nano，J. Phys. Chem. Lett.和Phys. Rev系列等期刊上發(fā)表論文40余篇。


版權(quán)與免責(zé)聲明：中國聚合物網(wǎng)原創(chuàng)文章？锘蛎襟w如需轉(zhuǎn)載，請聯(lián)系郵箱：info@polymer.cn，并請注明出處。
（責(zé)任編輯：xu）
【大 中 小】【打印】【關(guān)閉】

誠邀關(guān)注高分子科技

更多>>最新資訊
更多>>科教新聞