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CEJ：中大周剑课题组在丙烯酰胺辅助真空干燥制备高性能气凝胶方向取得新进展

来源：中山大学      2022-10-17
导读：近日，中山大学周剑副教授团队开发了一种气凝胶材料的补偿策略制备方法并以此法制备了导电气凝胶聚3，4-乙烯二氧噻吩/ 聚苯乙烯磺酸（PEDOT/PSS）。通过调整PEDOT/PSS与丙烯酰胺的重量比和干燥温度，得到了低密度(6.3-21.6 mg/cm3)、高孔隙率(>99%)和低收缩率(5.3%)的气凝胶，并且气凝胶电导率可达81.1 S/m。该气凝胶被用作湿气发电的绿色能源的收集。
气凝胶是由高达99.98%的空气组成的超多孔三维（3D）结构，并以细胞状或纤维状网络作为骨架支撑。它有着出色的物理性能，例如超低密度、高比表面、低热导、低声阻抗等，使其在能量储存、化学催化、电子传感器、声绝缘体、航空航天以及热绝缘领域都表现出巨大潜力。但由于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）常存在极端制备条件而导致高耗能、高耗时等弊端以及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，如何在低能耗、低耗时的情况下制备高性能气凝胶仍是研究热点。

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补偿策略制备方法并以此法制备了导电气凝胶聚3，4-乙烯二氧噻吩/ 聚苯乙烯磺酸（PEDOT/PSS）。通过调整PEDOT/PSS与丙烯酰胺的重量比和干燥温度，得到了低密度(6.3-21.6 mg/cm3)、高孔隙率(>99%)和低收缩率(5.3%)的气凝胶，并且气凝胶电导率可达81.1 S/m。该气凝胶被用作湿气发电的绿色能源的收集。文章以“Compensation strategy for constructing high-performance aerogels using acrylamide-assisted vacuum drying and their use as water-induced electrical generators”为题，在线发表于在期刊《Chemical Engineering Journal》上。

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图1. 补偿策略分散体系示意图
本文提出的气凝胶干燥方法主要依托于：在丙烯酰胺和PSS间的酸碱相互作用和丙烯酰胺对PEDOT的极性作用下，冷冻后形成的丙烯酰胺晶体在其中的功能类似于在创建多孔结构时冰晶在冷冻干燥中的作用，从而构建出PEDOT/PSS三维多孔结构。之后在高温（80℃或110℃）真空干燥下，丙烯酰胺晶体下缓慢升华，保持固体状态的PEDOT/PSS的多孔结构，从而实现气凝胶制备。

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图2. 气凝胶制备过程原理
此外，研究人员以上述所制备的气凝胶为基础，还发现丙烯酰胺的加入可以提高PEDOT/PSS气凝胶的导电性。通过拉曼光谱分析，丙烯酰胺促进了PEDOT苯式结构向醌式结构的转化，提高了导电性。团队成员将上述PEDOT气凝胶应用于湿气发电领域中，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离子吸附，产生电势差，实现湿气发电。

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图3.PEDOT气凝胶在湿气发电（图a-c）上的应用及电导增强原理（图d-e）
所述文章中，中山大学材料科学与工程学院硕士生范俊呈为本文的第一作者，本科生李恒瑞为第二作者，周剑副教授为通讯作者。

原文链接：Juncheng Fan，HengruiLi，SongsongTang，BoxiaoLi，YangyangXin，You-Lo Hsieh，JianZhou*. Compensation strategy for constructing high-performance aerogels using acrylamide-assisted vacuum drying and their use as water-induced electrical generators. Chemical Engineering Journal. 2023, 452, 139685.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722051646?ref=cra_js_challenge&fr=RR-1

参考资料：https://mse.sysu.edu.cn/article/2360




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