中山大学周剑团队 AFM：基于三嗪衍生物诱导化学交联的常温常压干燥生物质气凝胶用于储能和湿气发电

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气凝胶材料常以其低密度、小孔洞尺寸、高孔隙率等独到的物理性质及内部结构组成在电化学等领域被广泛研究应用。但其常见的制备技术如冷冻干燥（Freezing-drying）及超临界流体干燥（supercritical drying）常存在由于极端制备条件而导致高耗能、高耗时等弊端以及的所需设备条件较为严苛等问题而难以满足气凝胶材料在诸多领域日益增长的需求。因此，应用新技术克服气凝胶材料在传统制备过程中所产生的弊端的同时保证其优良的物理性能及内部组成结构仍然是一挑战。

鉴于此，中山大学周剑副教授团队开发了一种气凝胶材料的室温干燥制备方法，并以此气凝胶为基实现了聚3，4-乙烯二氧噻吩（PEDOT）这一导电聚合物的聚合。经配比调控，最终室温干燥法制备得出的气凝胶相具有有较高的压缩强度(0.13 MPa)和杨氏模量(0.069 MPa)。更进一步，该气凝胶凭借表面大量亲水基团及内部孔洞结构应用于湿气发电机领域并凭借PEDOT所赋予该气凝胶的电化学性能将其应用于超级电容器领域。文章以“Covalent Cross-Links Enable the Formation of Ambient-Dried Biomass Aerogels through the Activation of a Triazine Derivative for Energy Storage and Generation”为题，在线发表于在期刊《Advanced Functional Materials》。

图1. 室温常压制备气凝胶机理及关键步骤

本文提出的气凝胶室温制备方法主要依托于：在一种三嗪类衍生物4-(4,6-二甲氧基三嗪-2-基)-4-甲基吗啉盐酸盐（4(46Dimethoxy135triazin2yl)4methylmpholinium chlide，DMTMM）的活化作用下实现羧甲基纳米纤维素（carboxymethylated cellulose nanofibers，CNF）与羧甲基壳聚糖（carboxymethylated chitosan，CMC）内部酰胺键的交联，在45℃条件下加热促进进一步交联制成水凝胶，后通过冷冻、解冻、溶剂置换等后续操作实现在室温、常压条件下气凝胶的制备。

图2. PEDOT功能化气凝胶的制备及特性表征

此外，在室温常压条件下，研究人员以上述所制备的气凝胶为基础，实现了一种导电聚合物的液相氧化合成（aqueous oxidative polymerization），在扫描电子显微镜下可观察到PEDOT聚合物颗粒的附着以及其在径向上具有独特的孔道结构，为后续其在湿气发电机领域的应用奠定了基础。同时，通过红外、拉曼、X射线衍射等光谱的定性分析，进一步验证了PEDOT功能化气凝胶的成功制备。

图3.PEDOT气凝胶在湿气发电（图a-c）及超级电容器（图d-e）应用示意图及机理

团队成员将上述PEDOT功能化气凝胶应用于电化学领域之中。在湿气发电领域中，通过亲水基团的吸水作用，其内部可解离的化学基团发生不同程度的解离，产生电势差，实现湿气发电。更进一步，在提供不同溶液的浸泡条件下，该气凝胶体现出不同的发电性能，其中KBr凭借其在水溶液中较高的溶解度及较小的离子粒径使该气凝胶具有较为优异的发电能力。在超级电容器领域中，以PEDOT所赋予该气凝胶较为优异的电化学性能为前提，进一步可通过电化学工作站测定其CV曲线验证其满足超级电容器的应用条件。以离子在PEDOT气凝胶表面吸附/解析附的过程为基础完成电荷的收集与释放，实现超级电容器的充放电过程。

该项目的顺利开展受到广东省自然科学基金面上项目及广东省科技创新战略专项资金的支持，感谢聚合物复合材料及功能材料教育部重点实验室、广州市柔性电子材料与可穿戴设备重点实验室的经费支持。

中山大学材料科学与工程学院博士后汤松松为本文的第一作者，本科生马鸣择为第二作者，周剑副教授为通讯作者。

原文链接：Songsong Tang, Mingze Ma, Xujing Zhang, Xuan Zhao, Juncheng Fan, Penghui Zhu, Kaiyuan Shi, Jian Zhou. Covalent Cross-Links Enable the Formation of Ambient-Dried Biomass Aerogels through the Activation of a Triazine Derivative for Energy Storage and Generation. 2022,2205417.  

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202205417

中山大学材料科学与工程学院周剑团队介绍

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研究方向：先进电子与纤维材料

研究兴趣：有机/无机半导体的合成制备及应用研究；先进纤维及织物电子的设计与应用研究；植物资源固废转化与应用研究；气凝胶新型制造方法及产业化应用研究；柔性电子技术与健康医疗

团队现有特聘副研究员1名，博士后3名，硕士5名。团队拥有完善的材料合成与表征实验室、材料加工与器件等实验室，中山大学东校园化学与材料综合楼中团队科研场地面积超120平方米。现已配置微型高分子合成反应釜，导电高分子液相和气相合成装置、冷冻干燥机、超临界干燥设备、真空手套箱、匀胶机、多通道温度采集系统、四探针表面方阻仪、新型离心纺丝机、小型及中试湿法纺丝机、纳米纤维素提取分离系统、激光雕刻切割机、真空管式炉、万能拉力机等实验设备与仪器。 

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