復(fù)旦大學(xué)孔彪研究員/趙東元院士團(tuán)隊(duì)在超組裝納米纖維超薄膜研究取得突破
為應(yīng)對(duì)全球能源危機(jī)，利用功能材料獲取存在于海水和河水之間的可持續(xù)鹽度梯度能量已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注。為了將滲透能轉(zhuǎn)化為電能，科學(xué)家們開發(fā)了許多具有納米流體通道的膜材料。其中，介孔材料和納米線材料是兩類用于構(gòu)筑膜器件的較為理性的基元材料。然而，傳統(tǒng)膜成本高、制備工藝復(fù)雜、輸出功率密度低等問題嚴(yán)重阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。此外，制備同時(shí)具有介孔及納米線結(jié)構(gòu)的介孔納米線材料也是一個(gè)關(guān)鍵難題。
過超組裝策略制備可再生生物質(zhì)衍生的功能材料，并將其應(yīng)用于鹽度梯度能量轉(zhuǎn)化，已經(jīng)引起了極大關(guān)注。近日，復(fù)旦大學(xué)孔彪研究員/趙東元院士聯(lián)合浙江大學(xué)王勇教授報(bào)道了一種簡單高效的超組裝方法，成功地制備了由納米纖維陣列組裝而成的各向異性碳質(zhì)有序介孔納米線（CMWs）。并進(jìn)一步基于有序介孔納米線材料構(gòu)筑了異質(zhì)結(jié)構(gòu)膜器件，該膜材料在滲透能捕獲應(yīng)用中表現(xiàn)出了智能的定向離子傳輸及能量轉(zhuǎn)換性能。
過進(jìn)一步探究，作者提出了結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑輔助的連續(xù)超組裝機(jī)理，可將納米纖維陣列組裝為有序介孔納米線。在PSSMA和TMB的輔助下，F(xiàn)127和核糖首先形成柱狀膠束，隨后柱狀膠束進(jìn)一步通過二維六方形式進(jìn)行組裝。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，較為親水的核糖聚合為較為疏水的低聚物，低聚物傾向于從F127的PEO端向PPO端移動(dòng)，同時(shí)在PPO端進(jìn)行聚合。此外，新的柱狀膠束通過“頭對(duì)頭”的方式在原納米線上繼續(xù)組裝生長，最終得到了由納米纖維陣列超組裝而成的有序介孔納米線材料。通過抽濾法得到的CMWs/AAO異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜具有不對(duì)稱的組分、表面電荷類型、孔道結(jié)構(gòu)、潤濕性，因此其具有智能離子傳輸性能及陽離子選擇性。將CMWs/AAO異質(zhì)結(jié)構(gòu)膜用于鹽差能轉(zhuǎn)化應(yīng)用時(shí)，該納米流體器件在人工海水和河水中具有2.78 W m?2的高功率密度。
這項(xiàng)工作提出了結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑輔助的連續(xù)超組裝策略，成功制備了由納米纖維陣列組裝的有序介孔納米線材料。該策略簡單高效，具有高產(chǎn)量、易于放大、易于調(diào)控尺寸等特性。此外，有序介孔納米線材料可以進(jìn)一步作為基元組裝在AAO上構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜材料。由于具有新穎的結(jié)構(gòu)、孔隙率和豐富的官能團(tuán)，不對(duì)稱CMWS/AAO異質(zhì)結(jié)構(gòu)膜具有良好的陽離子選擇性。該工作有望為制備生物質(zhì)衍生功能納米線和雜化膜應(yīng)用于可持續(xù)發(fā)電、水凈化和海水淡化等領(lǐng)域鋪平道路。
相關(guān)研究工作日前以“Sequential Superassembly of Nanofiber Arrays to Carbonaceous Ordered Mesoporous Nanowires and Their Heterostructure Membranes for Osmotic Energy Conversion”為題發(fā)表于化學(xué)旗艦期刊Journal of the American Chemical Society上，該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
全文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.1c00547
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