東華大學《德國應化》:研發出高導電、高彈性TiO2納米纖維氣凝膠

TiO2作為一種重要的原料，已被廣泛應用於與人類生活息息相關的行業，如塗料、防曬霜、食品添加劑等。2019年全球市場規模達166.4億美元，未來五年的複合增長率預期高達7.6%。然而，這些TiO2材料在宏觀上主要以粉末的形式存在，易通過呼吸系統進入人體，從而引發健康風險。因此，歐盟已於2020年2月18日正式將「mixtures in powder form containing 1% or more of titanium dioxide which is in the form of or incorporated in particles with aerodynamic diameter ≤10 μm」列為二類致癌物。此外，這些納米材料很難回收利用，一旦釋放到環境中，會對自然界的動植物產生生物毒性。因此，開發使用安全係數高、易回收的自支撐TiO2材料是一項極具挑戰性的工作。

近日，東華大學紡織科技創新中心俞建勇院士、丁彬教授、劉一濤教授報導了一種全新的TiO2本體形式——超輕、高彈TiO2納米纖維氣凝膠。他們以柔性TiO2納米纖維為構築基元，以少量SiO2溶膠為化學交聯劑，利用冷凍成型的方法，實現了TiO2納米纖維的定向組裝，製備出具有有序胞腔結構的TiO2納米纖維氣凝膠。該納米纖維氣凝膠在高達40%的應變下可反覆壓縮未見明顯的塑性形變，表現出優異的動態力學性能。此外，該納米纖維氣凝膠還具有超低的體密度（0.5 mg cm–3）以及超高的孔隙率（>99%）。進一步通過鋰金屬還原產生豐富的氧空位，從而有效地調控TiO2的電子結構，使其電導率高達38.2 mS cm–1。

TiO2納米纖維氣凝膠的有序胞腔結構使其具有超低的體密度、超高的孔隙率和優異的彈性

鋰金屬還原的TiO2納米纖維氣凝膠具有優異的導電性能和光學性能

作為一種概念驗證，研究人員將該納米纖維氣凝膠作為一種新型的自支撐電催化劑用於環境固氮，表現出優異的電催化活性。此外，該納米纖維氣凝膠在酸性、鹼性及中性電解質中均表現出優異的耐久性。密度泛函理論（DFT）計算表明，氧空位的存在可以促進氮氣的吸附和活化，從而有助於提高電催化活性。除了在電催化領域的應用外，高導電、超輕、高彈TiO2納米纖維氣凝膠在儲能、光催化、柔性電子器件等領域也具有廣闊的應用前景。

相關工作以「Conductive and Elastic TiO2 Nanofibrous Aerogels: A New Concept toward Self-Supported Electrocatalysts with Superior Activity and Durability」為題發表在德國應化上（Angewandte Chemie International Edition, DOI: 10.1002/anie.202010110）。論文第一作者為東華大學紡織學院博士生張猛，共同通訊作者為丁彬教授和劉一濤教授。該工作得到了國家自然科學基金、上海市自然科學基金、上海市教育委員會、東華大學勵志計劃等項目的大力資助。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202010110

來源：高分子科學前沿

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