清華大學王訓教授今日Science：有機液體凝膠化迎來重大突破

【導讀】

研究表明，水基水凝膠的制備通常是通過在水分子和凝膠劑之間形成氫鍵網絡，從而能夠實現可控制備。然而，與氫鍵相比，具有揮發性質的有機分子之間的分子間作用力通常比水要弱，極大地阻礙了有機液體凝膠材料的開發，從而使得更難被吸收。

【成果掠影】

今日，清華大學王訓教授（共同通訊作者）基于多金屬氧酸鹽、鈣離子和油胺等材料，開發了一種簡便的AE-POM納米線室溫合成方法，其可以通過分散體中的物理交聯形成3D網絡。當暴露于一系列揮發性有機化合物中時，網絡會膨脹，這些揮發性有機化合物的添加比例即使低于1%也能夠形成有機凝膠。同時，通過簡單的攪拌和靜置，就可以固定汽油、辛烷等10多種有機液體，在不添加任何添加劑的情況下，得到自支撐、有彈性的有機凝膠。在這種方法的基礎上，本文輕松實現了納米線的規模化批量生產，并且可以捕獲公斤級有機液體。更加重要的一點是，凝膠中的納米線可以通過蒸餾和離心回收10次以上，且基于納米線的有機凝膠即使在液氮溫度下也是穩定的。此外，面對外界擠壓凝膠也是具有穩定狀態，沒有大量的液體損失。更加重要的一點是，液體可以通過蒸餾和離心回收，納米線可以重復使用，從而使得有機溶劑的捕獲和回收成為可能。

相關研究成果以“Locking volatile organic molecules by subnanometer?inorganic nanowire-based organogels”為題發表在Science上。

【核心創新點】

1.納米線可以形成三維網絡，有效捕獲10多種揮發性有機液體，納米線的質量分數即使低至0.53%也能夠實現有機液體凝膠化；

2.液體可以通過蒸餾和離心回收，納米線可以重復使用，從而使得有機溶劑的捕獲和回收成為可能。

【數據概覽】

圖一、Ca-POM納米線的形貌

（A，B）納米線的TEM圖像；

（C，D）納米線典型的AFM形貌和沿虛線的輪廓；

（E）納米線的AC-HAADF-STEM圖像；

（F，G）STEM圖像和對應納米線的EDS元素映射圖像；

（H）PTA和納米線的MALDI-TOF-MS結果；

（I）納米線結構的幾何結構優化；

（J）納米線的結構圖。

圖二、Ca-POM納米線-有機液體凝膠

（A）納米線-辛烷凝膠的照片

（B-D）TEM圖像和納米線網絡的STEM圖像；

（E）納米線-有機液體凝膠的照片；

（F）在液氮中冷凍并隨后解凍的納米線辛烷凝膠的照片；

（G）直徑約26厘米、厚度約1.5厘米的納米線辛烷凝膠；

（H）使用納米線進行溢油回收過程的照片。

圖三、納米線-辛烷凝膠的力學行為

（A）凝膠的照片

（B）被拉伸的凝膠薄片的照片；

（C）折疊的凝膠薄片的照片；

（D）拉伸凝膠薄片的SAXS 2D圖案；

（E）應變幅度為1%的頻率掃描模式下凝膠的流變學研究；

（F，G）凝膠的典型拉伸應力-應變曲線和壓縮應力-應變曲線；

圖四、基于Ca-POM納米線的凝膠的MD模擬

（A）納米線-辛烷凝膠示意圖

（B）納米線之間的相互作用能；

（C）辛烷值與納米線主要部分的相互作用能；

（D）一些純有機液體的擴散常數和這些被困在納米線網絡中的液體。

文獻鏈接：“Locking volatile organic molecules by subnanometer?inorganic nanowire-based organogels”（Science，2022，10.1126/science.abm7574）

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