纳米纤维材料如何成为大牛们的“宠儿”？陈克复院士，俞建勇院士，俞书宏院士的最新成果

陈克复

制浆造纸工程专家，长期从事轻工、制浆造纸工程的科研和教学工作。2003年当选为中国工程院院士。

1. ACS Applied Materials & Interfaces：银纳米颗粒嵌入混合纳米纸具有显著的热导率增强

如今，现代电子设备向便携、更薄、更轻甚至可折叠的快速发展，对其内部电子元件在集成化、小型化和高功率密度化方面提出了更高的要求。有效去除热量已成为便携式电子设备的新兴需求，因为当设备在实际条件下运行时，热效应会降低其性能。因此，热管理材料(TMM)由于其良好的热导率(TC)而在这种情况下发挥着至关重要的作用。然而，大规模生产具有高TC、良好的顺应性、良好的柔韧性和坚固的机械结构的TMM用于商业应用仍然是一个巨大的挑战。

在这项工作中，通过简单的真空过滤技术制造了用于TMM应用的分层结构的混合纳米纸，其中具有高导热性的AgNPs通过典型且高效的银镜反应稳定地原位预锚定在二醛纳米原纤化纤维素(DANFC)的表面上。特别是，DANFC是通过纤维素纤维的原纤化和进一步高碘酸盐氧化制备的。将醛基引入NFC表面，用作还原剂和稳定剂，将银离子原位还原为AgNPs。然后将AgNPs包覆的DANFC（DANFC/Ag）用于制备一系列混合纳米纸，结果发现AgNPs可以通过羧基和AgNPs之间的特定界面相互作用稳定地原位包覆在DANFC表面。所制备的 DANFC/Ag 混合纳米纸仅含有 1.9vol% Ag的TC是纯 NFC纳米纸的5.35倍，显示出令人印象深刻的230%的TCE。总体而言，本研究表明DANFC/Ag 混合纳米纸作为制备高导热材料的可再生候选材料具有重要作用，这将进一步拓宽DANFC/Ag 混合纳米纸作为TMM 在便携式电子设备中的应用。

2. Chemical Engineering Journal ：用于多功能应变传感器的超轻、柔性和导电银纳米线/纳米原纤化纤维素气凝胶

随着对智能电子设备的需求不断增加，迫切需要新型灵活便携的传感设备来捕捉压力的细微变化。特别是，可穿戴应变/压力传感器具有巨大的技术潜力，因为它们可以为人体活动监测、电子皮肤、人机交互、智能交通系统等。虽然各种传感器和潜在应用已经被报道，但系统设计、理论建模和制造的关联机制仍在开发中，这对于实际应用的改进至关重要。此外，合理方便有效的策略来设计具有高灵敏度、低检测限、快速响应和优异传感耐久性的完美应变/压力传感器仍然是一个巨大的挑战。

在此，提出了一种简单的策略来设计基于AgNWs/纳米原纤化纤维素气凝胶(SNA)的多功能压阻传感器。为了实现这一点，AgNWs和纳米原纤化纤维素通过单向冷冻浇铸和热退火技术的结合进行了共同组装。均匀有序导电的AgNWs微通道与冰晶的生长同时形成。此外，通过热焊接技术生产的3D互连AgNW嵌入NFC气凝胶中，使坚固的SNA具有增强的机械稳定性和更高的导电性。所制备的导电SNA可以作为具有高灵敏度和稳定性的多功能压阻传感器。随后，分析了包括向内变形和向外变形在内的不同传感机制，并讨论了基于SNA的压阻传感器在实时检测人体运动和呼吸、语音监控和识别、车辆速度和负载等方面的不同应用。所提出的策略为设计和制造下一代多功能应变传感器开辟了新的可能性，使该技术更接近商业化。

3. ACS Applied Materials & Interfaces：具有波浪层和跳板弹性支撑结构的机械柔性碳气凝胶，用于选择性油/有机溶剂回收

频繁的石油泄漏、不溶于水的有机溶剂泄漏以及工业含油废水排放的增加，都造成水污染、生态系统失衡和许多自然灾害。全球对油污净化的需求需要开发低成本、高效率的可靠且灵活的材料和技术。在众多的材料和技术中，吸附剂由于操作简单、回收油分效率高、环保等优点，被认为是油污净化的有前景的候选材料。

这里提出了一种新策略来有效地制造3D弹性还原氧化石墨烯(RGO)交联碳气凝胶。值得注意的是，从植物纸浆中分离出的纤维素纳米晶体(CNCs)是必不可少的成分，而植物纸浆过程中的工业副产品预水解液(PHL)作为粘合促进剂，实现了碳气凝胶强度和柔韧性的增强. 这是第一次充分利用树的所有成分（纸浆和PHL）来设计碳气凝胶。具有跳板弹性支撑微结构的波浪状碳层的形成能够实现机械拉伸和收缩，并避免压缩过程中的界面塌陷。得益于独特的波浪层结构和强相互作用，碳气凝胶超轻（4.98 mg cm^–3) 并表现出超压缩（承受95%的极端应变）和超弹性（在50%的应变下500次循环后保持约100%的高度）。特别是碳气凝胶可以选择性、快速地吸附各种油性污染物，表现出较高的油/有机溶剂吸收能力（对四氯化碳可达276 g g^–1）和良好的可回收性。最后，展示了碳气凝胶在石油净化和污染修复设备中的实际应用。因此，这种多功能且坚固的功能化碳气凝胶在石油净化和污染修复方面具有广阔的潜力。

俞建勇

纺织材料专家，长期从事纺织材料领域的科研与教学，在天然纤维资源开发、化学纤维创新应用、新型结构纱线和功能纺织材料等方面开展系列研究工作。2013年当选为中国工程院院士。

1. ACS Applied Materials & Interfaces：用于高效保暖的超弹性和阻燃纳米/微纤维海绵

人体长时间呆在寒冷的环境中，很容易患上静止不动的冻伤、持续疼痛的心血管疾病，甚至死亡，这是由于大量的热量散失造成的。通过储存大量静止空气来减少热量损失的保暖材料在个人防寒方面引起了越来越多的关注。目前，常规的保暖材料可分为天然纤维集合体和合成纤维集合体。 羽绒作为具有代表性的天然保暖材料，由于其高度蓬松的结构，其导热系数相对较低。然而，由于疏水性差，羽绒的保暖性能在高相对湿度（RH）下会迅速降低。

在此，报告了一种简单的策略，以制备纳米/微纤维海绵超弹性，坚固的阻燃性和有效的保温性能的直接静电纺丝。通过精确调节相对湿度，构造出低体积密度、高孔隙度的三维蓬松海绵；同时，创新性地引入了具有高极限氧指数(LOI)的机械鲁棒性聚酰胺亚胺纳米纤维，以提高纳米/微纤维海绵的结构稳定性和可燃性。引人注目的是，所开发的纳米/微纤维海绵具有超轻特性(6.9 mg cm^-3)、超弹性(100次压缩试验后塑性变形为0%)、有效阻燃性能(LOI为26.2%)、以及良好的保温性能(热导率为24.6 mW m^-1k^-1)。这一研究成果为设计超弹性阻燃保温材料提供了理论依据。

2. Chemical Engineering Journal：弹性和高抗疲劳性ZrO₂-SiO₂用于隔热的低能量耗散纳米纤维气凝胶

低密度、低热导率和优异的耐热性和耐化学性是陶瓷气凝胶的独特优势，使其成为多种多功能应用的有希望的候选者，例如催化剂载体、能量转换和隔热。然而，由于其固有的脆性，陶瓷气凝胶的强度和原始结构在外部应力下会受到损害。与大多数现有的多孔材料一样，陶瓷气凝胶通常是刚性和脆性的，除非它们被无法承受空气中高温（>600°C）的聚合物或碳基质渗透。可能引发灾难性事件的失效行为包括珍珠项链状结构化二氧化硅气凝胶中的结构裂纹、体积收缩、强度下降和疲劳老化。因此，压缩回弹性、抗疲劳性和抗压强度是影响陶瓷气凝胶性能和应用的关键因素。

在此，报告了一种通用策略，通过将柔性ZrO₂-SiO₂纳米纤维组装成蓬松的层状拱形蜂窝结构来展示具有优异弹性和高抗疲劳性的陶瓷纳米纤维气凝胶。得到的ZrO₂-SiO₂纳米纤维气凝胶可以从90%应变中快速恢复，并表现出950 kPa（90%应变）的高压缩强度和温度不变的超弹性（从-196 到1100 °C）。特别是，气凝胶表现出低能量损失系数(0.28) 和高抗疲劳性，在1000次压缩和释放循环后塑性变形为零，超过了先前报道的陶瓷气凝胶的性能。此外，低热导率 (0.0268 W m^-1K^-1) 和出色的高温隔热性能使其成为恶劣条件下理想的隔热材料。这些具有高超弹性、优异压缩性和优异抗疲劳性的结构陶瓷材料的成功合成同时为进一步开发机械坚固的气凝胶材料开辟了道路。

3. ACS Applied Materials & Interfaces：陶瓷纳米纤维水电发电机

持续探索清洁、负担得起、可靠的能源技术是社会可持续发展的迫切需要。 最近，将周围环境能量转化为电能，如潮湿发电和水蒸发诱导发电，引起了巨大的研究兴趣。水生发电作为一种新兴的可持续能源收集技术，已成为近来的研究热点。

这里，通过溶胶-凝胶静电纺丝技术开发了一种基于陶瓷 (SiO₂)纳米纤维的水生发电机，然后进行煅烧，其表现出优异的水生发电性能和显着的柔软度。基于SiO₂纳米纤维的发生器的这种优异性能可归因于两个方面：水蒸发力产生的电动效应和上下电极之间形成的离子梯度。SiO₂基于纳米纤维的发电机能够分别提供0.48 V和0.37 μA的连续电压和电流输出，弯曲500次后不会减弱。此外，水生发电机产生的高压电流输出可以串联或并联实现，具有实际应用，例如在商用数字计算器中。这种环保的发电机成本低，为未来的绿色能源利用提供了巨大的潜力，并为便携式电子产品开辟了新的可能性。

俞书宏

无机化学家，主要从事无机合成化学、仿生材料的设计合成与应用研究。2019年当选为中国科学院院士。

1. Nano Letters：具有用于塑料替代品的高密度可逆相互作用网络的植物纤维素纳米纤维衍生结构材料

今天，一个没有塑料的世界似乎是不可想象的，但塑料确实有其阴暗面。 大多数广泛使用的石化塑料都是不可生物降解的，因此它们最终可能会进入土壤、河流和海洋。因此，基于石化的塑料将对环境造成几乎永久性的破坏，并可能威胁人类健康。为了解决这一复杂的环境问题，从可再生资源中开发可持续聚合物是一种可能的选择。但它们的机械和热性能无法与现有的石化塑料，尤其是用作结构材料的塑料相媲美。

在此，报告了一种可生物降解的植物纤维素纳米纤维(CNF)衍生的聚合物结构材料，其纳米纤维之间具有高密度可逆相互作用网络，其机械和热性能优于现有的石化塑料。与现有的石化塑料相比，这种全绿色材料的弯曲强度(~300 MPa)和模量(~16 GPa)显着提高。其平均热膨胀系数仅为7×10^–6K^–1，比石化塑料低10倍以上，说明其尺寸在加热时几乎不变，因此具有优于塑料的热尺寸稳定性。作为一种完全生物衍生和可降解的材料，全绿色材料为石化塑料提供了一种更可持续的高性能替代品。

2. Advanced Materials Technologie：用于防护服的可持续多尺度纤维素纤维分级过滤材料的仿生设计和批量生产

作为个人防护装备(PPE)的核心部件，过滤材料在个人防护方面发挥着关键作用，尤其是在对抗 COVID-19 方面。

在这里，介绍了一种用于防护服的高性能多尺度纤维素纤维基过滤材料，克服了纤维素基过滤材料过滤和渗透互斥的局限性。凭借分层仿生结构设计和多尺度纤维素纤维的活性表面，实现了≈92%的高PM 2.5去除效率和8 kg m^-2d^-1的高透湿率. 通过简单有效的浸涂和卷对卷工艺，分级过滤材料可以大规模制造，并进一步通过工业生产设备制造成高质量的防护服。

3. Small：用于能量存储和转换的金属-有机骨架纳米纤维气凝胶及其衍生中空碳纳米纤维的模板合成

金属有机骨架材料作为一种新兴的多孔材料，由于其结构的多样性和可裁剪性，以及在各个领域的潜在应用，引起了人们的广泛关注。近年来，MOFs被证明是提供多种具有多功能的多孔衍生物的优秀模板/前驱体。MOF衍生的纳米孔碳材料(MOFCs)不仅在一定程度上继承了MOF材料的高表面积和高孔隙率的优点，而且还具有良好的导电性、优异的化学稳定性和热稳定性等重要性能。因此，MOFC由于其高表面积和均匀掺杂的杂原子，已被证明是超级电容器、电池、和燃料电池等能量转换和存储中的电极材料和电催化剂。

本文采用均匀、单分散的MOF纳米纤维自组装合成了一种金属有机骨架气凝胶。MOF纳米纤维气凝胶作为碳前驱体可以有效避免纳米纤维在煅烧过程中的聚集，从而形成分散良好的空心多孔碳纳米纤维(HPCNs)。此外，研究了分散性良好的HPCN作为锂离子电池硫载体材料和阴极氧还原反应(ORR)的电催化剂。一方面，HPCN作为宿主，将硫包裹在其层次结构的微孔和中孔以及中空纳米结构中。所得的硫阴极具有良好的电化学性能，循环稳定性好，库仑效率高。另一方面，HPCNs表现出比聚合的ORR更好的电催化活性。此外，通过双金属MOF纳米纤维气凝胶的炭化可以制备出高活性的单原子电催化剂。结果表明，与聚集的HPCN相比，分散良好的HPCN具有更高的电化学性能，表明纳米材料的分散情况显著影响其最终性能。目前采用MOF纳米纤维气凝胶作为前驱体的概念将为MOF衍生纳米材料的设计提供一个新的策略，该材料具有良好的分散性，可用于能量存储和转换。

参考文献：

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3. Dong J, Zeng J, Wang B, et al. Mechanically Flexible Carbon Aerogel with Wavy Layers and Springboard Elastic Supporting Structure for Selective Oil/Organic Solvent Recovery. ACS Appl Mater Interfaces. Apr 7 2021;13(13):15910-15924.

4. Zhang R, Gong X, Wang S, et al. Superelastic and Fire-Retardant Nano-/Microfibrous Sponges for High-Efficiency Warmth Retention. ACS Appl Mater Interfaces. Nov 25 2021.

5. Zhang X, Cheng X, Si Y, Yu J, Ding B. Elastic and highly fatigue resistant ZrO₂-SiO₂nanofibrous aerogel with low energy dissipation for thermal insulation. Chemical Engineering Journal. 2021.

6. Sun Z, Feng L, Wen X, Wang L, Qin X, Yu J. Ceramic Nanofiber-Based Water-Induced Electric Generator. ACS Appl Mater Interfaces. Nov 16 2021.

7. Guan QF, Yang HB, Han ZM, et al. Plant Cellulose Nanofiber-Derived Structural Material with High-Density Reversible Interaction Networks for Plastic Substitute. Nano Lett. Nov 10 2021;21(21):8999-9004.

8. Guan Q-F, Han Z-M, Yang H-B, et al. Biomimetic Design and Mass Production of Sustainable Multiscale Cellulose Fibers-Based Hierarchical Filter Materials for Protective Clothing. Advanced Materials Technologies. 2021;6(9):2100193.

9. Zhang W, Cai G, Wu R, et al. Templating Synthesis of Metal-Organic Framework Nanofiber Aerogels and Their Derived Hollow Porous Carbon Nanofibers for Energy Storage and Conversion. Small. Feb 1 2021:e2004140.

本文由春国供稿。

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