納米纖維材料如何成為大牛們的“寵兒”？陳克復院士，俞建勇院士，俞書宏院士的最新成果

陳克復

制漿造紙工程專家，長期從事輕工、制漿造紙工程的科研和教學工作。2003年當選為中國工程院院士。

1. ACS Applied Materials & Interfaces：銀納米顆粒嵌入混合納米紙具有顯著的熱導率增強

如今，現代電子設備向便攜、更薄、更輕甚至可折疊的快速發展，對其內部電子元件在集成化、小型化和高功率密度化方面提出了更高的要求。有效去除熱量已成為便攜式電子設備的新興需求，因為當設備在實際條件下運行時，熱效應會降低其性能。因此，熱管理材料(TMM)由于其良好的熱導率(TC)而在這種情況下發揮著至關重要的作用。然而，大規模生產具有高TC、良好的順應性、良好的柔韌性和堅固的機械結構的TMM用于商業應用仍然是一個巨大的挑戰。

在這項工作中，通過簡單的真空過濾技術制造了用于TMM應用的分層結構的混合納米紙，其中具有高導熱性的AgNPs通過典型且高效的銀鏡反應穩定地原位預錨定在二醛納米原纖化纖維素(DANFC)的表面上。特別是，DANFC是通過纖維素纖維的原纖化和進一步高碘酸鹽氧化制備的。將醛基引入NFC表面，用作還原劑和穩定劑，將銀離子原位還原為AgNPs。然后將AgNPs包覆的DANFC（DANFC/Ag）用于制備一系列混合納米紙，結果發現AgNPs可以通過羧基和AgNPs之間的特定界面相互作用穩定地原位包覆在DANFC表面。所制備的 DANFC/Ag 混合納米紙僅含有 1.9vol% Ag的TC是純 NFC納米紙的5.35倍，顯示出令人印象深刻的230%的TCE。總體而言，本研究表明DANFC/Ag 混合納米紙作為制備高導熱材料的可再生候選材料具有重要作用，這將進一步拓寬DANFC/Ag 混合納米紙作為TMM 在便攜式電子設備中的應用。

2. Chemical Engineering Journal ：用于多功能應變傳感器的超輕、柔性和導電銀納米線/納米原纖化纖維素氣凝膠

隨著對智能電子設備的需求不斷增加，迫切需要新型靈活便攜的傳感設備來捕捉壓力的細微變化。特別是，可穿戴應變/壓力傳感器具有巨大的技術潛力，因為它們可以為人體活動監測、電子皮膚、人機交互、智能交通系統等。雖然各種傳感器和潛在應用已經被報道，但系統設計、理論建模和制造的關聯機制仍在開發中，這對于實際應用的改進至關重要。此外，合理方便有效的策略來設計具有高靈敏度、低檢測限、快速響應和優異傳感耐久性的完美應變/壓力傳感器仍然是一個巨大的挑戰。

在此，提出了一種簡單的策略來設計基于AgNWs/納米原纖化纖維素氣凝膠(SNA)的多功能壓阻傳感器。為了實現這一點，AgNWs和納米原纖化纖維素通過單向冷凍澆鑄和熱退火技術的結合進行了共同組裝。均勻有序導電的AgNWs微通道與冰晶的生長同時形成。此外，通過熱焊接技術生產的3D互連AgNW嵌入NFC氣凝膠中，使堅固的SNA具有增強的機械穩定性和更高的導電性。所制備的導電SNA可以作為具有高靈敏度和穩定性的多功能壓阻傳感器。隨后，分析了包括向內變形和向外變形在內的不同傳感機制，并討論了基于SNA的壓阻傳感器在實時檢測人體運動和呼吸、語音監控和識別、車輛速度和負載等方面的不同應用。所提出的策略為設計和制造下一代多功能應變傳感器開辟了新的可能性，使該技術更接近商業化。

3. ACS Applied Materials & Interfaces：具有波浪層和跳板彈性支撐結構的機械柔性碳氣凝膠，用于選擇性油/有機溶劑回收

頻繁的石油泄漏、不溶于水的有機溶劑泄漏以及工業含油廢水排放的增加，都造成水污染、生態系統失衡和許多自然災害。全球對油污凈化的需求需要開發低成本、高效率的可靠且靈活的材料和技術。在眾多的材料和技術中，吸附劑由于操作簡單、回收油分效率高、環保等優點，被認為是油污凈化的有前景的候選材料。

這里提出了一種新策略來有效地制造3D彈性還原氧化石墨烯(RGO)交聯碳氣凝膠。值得注意的是，從植物紙漿中分離出的纖維素納米晶體(CNCs)是必不可少的成分，而植物紙漿過程中的工業副產品預水解液(PHL)作為粘合促進劑，實現了碳氣凝膠強度和柔韌性的增強. 這是第一次充分利用樹的所有成分（紙漿和PHL）來設計碳氣凝膠。具有跳板彈性支撐微結構的波浪狀碳層的形成能夠實現機械拉伸和收縮，并避免壓縮過程中的界面塌陷。得益于獨特的波浪層結構和強相互作用，碳氣凝膠超輕（4.98 mg cm^–3 ) 并表現出超壓縮（承受95%的極端應變）和超彈性（在50%的應變下500次循環后保持約100%的高度）。特別是碳氣凝膠可以選擇性、快速地吸附各種油性污染物，表現出較高的油/有機溶劑吸收能力（對四氯化碳可達276 g?g^–1）和良好的可回收性。最后，展示了碳氣凝膠在石油凈化和污染修復設備中的實際應用。因此，這種多功能且堅固的功能化碳氣凝膠在石油凈化和污染修復方面具有廣闊的潛力。

俞建勇

紡織材料專家，長期從事紡織材料領域的科研與教學，在天然纖維資源開發、化學纖維創新應用、新型結構紗線和功能紡織材料等方面開展系列研究工作。2013年當選為中國工程院院士。

1. ACS Applied Materials & Interfaces：用于高效保暖的超彈性和阻燃納米/微纖維海綿

人體長時間呆在寒冷的環境中，很容易患上靜止不動的凍傷、持續疼痛的心血管疾病，甚至死亡，這是由于大量的熱量散失造成的。通過儲存大量靜止空氣來減少熱量損失的保暖材料在個人防寒方面引起了越來越多的關注。目前，常規的保暖材料可分為天然纖維集合體和合成纖維集合體。 羽絨作為具有代表性的天然保暖材料，由于其高度蓬松的結構，其導熱系數相對較低。然而，由于疏水性差，羽絨的保暖性能在高相對濕度（RH）下會迅速降低。

在此，報告了一種簡單的策略，以制備納米/微纖維海綿超彈性，堅固的阻燃性和有效的保溫性能的直接靜電紡絲。通過精確調節相對濕度，構造出低體積密度、高孔隙度的三維蓬松海綿；同時，創新性地引入了具有高極限氧指數(LOI)的機械魯棒性聚酰胺亞胺納米纖維，以提高納米/微纖維海綿的結構穩定性和可燃性。引人注目的是，所開發的納米/微纖維海綿具有超輕特性(6.9 mg cm^-3)、超彈性(100次壓縮試驗后塑性變形為0%)、有效阻燃性能(LOI為26.2%)、以及良好的保溫性能(熱導率為24.6 mW m^-1?k^-1)。這一研究成果為設計超彈性阻燃保溫材料提供了理論依據。

2. Chemical Engineering Journal：彈性和高抗疲勞性ZrO₂-SiO₂用于隔熱的低能量耗散納米纖維氣凝膠

低密度、低熱導率和優異的耐熱性和耐化學性是陶瓷氣凝膠的獨特優勢，使其成為多種多功能應用的有希望的候選者，例如催化劑載體、能量轉換和隔熱。然而，由于其固有的脆性，陶瓷氣凝膠的強度和原始結構在外部應力下會受到損害。與大多數現有的多孔材料一樣，陶瓷氣凝膠通常是剛性和脆性的，除非它們被無法承受空氣中高溫（>600°C）的聚合物或碳基質滲透。可能引發災難性事件的失效行為包括珍珠項鏈狀結構化二氧化硅氣凝膠中的結構裂紋、體積收縮、強度下降和疲勞老化。因此，壓縮回彈性、抗疲勞性和抗壓強度是影響陶瓷氣凝膠性能和應用的關鍵因素。

在此，報告了一種通用策略，通過將柔性ZrO₂-SiO₂納米纖維組裝成蓬松的層狀拱形蜂窩結構來展示具有優異彈性和高抗疲勞性的陶瓷納米纖維氣凝膠。得到的ZrO₂-SiO₂納米纖維氣凝膠可以從90%應變中快速恢復，并表現出950 kPa（90%應變）的高壓縮強度和溫度不變的超彈性（從-196 到1100 °C）。特別是，氣凝膠表現出低能量損失系數(0.28) 和高抗疲勞性，在1000次壓縮和釋放循環后塑性變形為零，超過了先前報道的陶瓷氣凝膠的性能。此外，低熱導率 (0.0268 W m^-1?K^-1) 和出色的高溫隔熱性能使其成為惡劣條件下理想的隔熱材料。這些具有高超彈性、優異壓縮性和優異抗疲勞性的結構陶瓷材料的成功合成同時為進一步開發機械堅固的氣凝膠材料開辟了道路。

3. ACS Applied Materials & Interfaces：陶瓷納米纖維水電發電機

持續探索清潔、負擔得起、可靠的能源技術是社會可持續發展的迫切需要。 最近，將周圍環境能量轉化為電能，如潮濕發電和水蒸發誘導發電，引起了巨大的研究興趣。水生發電作為一種新興的可持續能源收集技術，已成為近來的研究熱點。

這里，通過溶膠-凝膠靜電紡絲技術開發了一種基于陶瓷 (SiO₂)納米纖維的水生發電機，然后進行煅燒，其表現出優異的水生發電性能和顯著的柔軟度。基于SiO₂納米纖維的發生器的這種優異性能可歸因于兩個方面：水蒸發力產生的電動效應和上下電極之間形成的離子梯度。SiO₂基于納米纖維的發電機能夠分別提供0.48 V和0.37 μA的連續電壓和電流輸出，彎曲500次后不會減弱。此外，水生發電機產生的高壓電流輸出可以串聯或并聯實現，具有實際應用，例如在商用數字計算器中。這種環保的發電機成本低，為未來的綠色能源利用提供了巨大的潛力，并為便攜式電子產品開辟了新的可能性。

俞書宏

無機化學家，主要從事無機合成化學、仿生材料的設計合成與應用研究。2019年當選為中國科學院院士。

1. Nano Letters：具有用于塑料替代品的高密度可逆相互作用網絡的植物纖維素納米纖維衍生結構材料

今天，一個沒有塑料的世界似乎是不可想象的，但塑料確實有其陰暗面。 大多數廣泛使用的石化塑料都是不可生物降解的，因此它們最終可能會進入土壤、河流和海洋。因此，基于石化的塑料將對環境造成幾乎永久性的破壞，并可能威脅人類健康。為了解決這一復雜的環境問題，從可再生資源中開發可持續聚合物是一種可能的選擇。但它們的機械和熱性能無法與現有的石化塑料，尤其是用作結構材料的塑料相媲美。

在此，報告了一種可生物降解的植物纖維素納米纖維(CNF)衍生的聚合物結構材料，其納米纖維之間具有高密度可逆相互作用網絡，其機械和熱性能優于現有的石化塑料。與現有的石化塑料相比，這種全綠色材料的彎曲強度(~300 MPa)和模量(~16 GPa)顯著提高。其平均熱膨脹系數僅為7×10^?–6?K^–1，比石化塑料低10倍以上，說明其尺寸在加熱時幾乎不變，因此具有優于塑料的熱尺寸穩定性。作為一種完全生物衍生和可降解的材料，全綠色材料為石化塑料提供了一種更可持續的高性能替代品。

2. Advanced Materials Technologie：用于防護服的可持續多尺度纖維素纖維分級過濾材料的仿生設計和批量生產

作為個人防護裝備(PPE)的核心部件，過濾材料在個人防護方面發揮著關鍵作用，尤其是在對抗 COVID-19 方面。

在這里，介紹了一種用于防護服的高性能多尺度纖維素纖維基過濾材料，克服了纖維素基過濾材料過濾和滲透互斥的局限性。憑借分層仿生結構設計和多尺度纖維素纖維的活性表面，實現了≈92%的高PM 2.5去除效率和8 kg m^-2?d^-1的高透濕率. 通過簡單有效的浸涂和卷對卷工藝，分級過濾材料可以大規模制造，并進一步通過工業生產設備制造成高質量的防護服。

3. Small：用于能量存儲和轉換的金屬-有機骨架納米纖維氣凝膠及其衍生中空碳納米纖維的模板合成

金屬有機骨架材料作為一種新興的多孔材料，由于其結構的多樣性和可裁剪性，以及在各個領域的潛在應用，引起了人們的廣泛關注。近年來，MOFs被證明是提供多種具有多功能的多孔衍生物的優秀模板/前驅體。MOF衍生的納米孔碳材料(MOFCs)不僅在一定程度上繼承了MOF材料的高表面積和高孔隙率的優點，而且還具有良好的導電性、優異的化學穩定性和熱穩定性等重要性能。因此，MOFC由于其高表面積和均勻摻雜的雜原子，已被證明是超級電容器、電池、和燃料電池等能量轉換和存儲中的電極材料和電催化劑。

本文采用均勻、單分散的MOF納米纖維自組裝合成了一種金屬有機骨架氣凝膠。MOF納米纖維氣凝膠作為碳前驅體可以有效避免納米纖維在煅燒過程中的聚集，從而形成分散良好的空心多孔碳納米纖維(HPCNs)。此外，研究了分散性良好的HPCN作為鋰離子電池硫載體材料和陰極氧還原反應(ORR)的電催化劑。一方面，HPCN作為宿主，將硫包裹在其層次結構的微孔和中孔以及中空納米結構中。所得的硫陰極具有良好的電化學性能，循環穩定性好，庫侖效率高。另一方面，HPCNs表現出比聚合的ORR更好的電催化活性。此外，通過雙金屬MOF納米纖維氣凝膠的炭化可以制備出高活性的單原子電催化劑。結果表明，與聚集的HPCN相比，分散良好的HPCN具有更高的電化學性能，表明納米材料的分散情況顯著影響其最終性能。目前采用MOF納米纖維氣凝膠作為前驅體的概念將為MOF衍生納米材料的設計提供一個新的策略，該材料具有良好的分散性，可用于能量存儲和轉換。

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