西工大化学与化工学院孔杰教授团队与中科院苏州纳米所张学同研究员团队合作，在可空气集水、制冷制热与电磁波吸收功能集成的气凝胶纤维方向取得重要进展，研究成果以Hygroscopic Holey Graphene Aerogel Fibers Enable Highly Efficient Moisture Capture, Heat Allocation and Microwave Absorption“为题，于近期在国际重要学术期刊《Nature Communications》上在线发表（2022, 13, 1227）。
气凝胶纤维是一种具有高比表面积、高孔隙度、低密度等特性的新型纤维材料。
气凝胶纤维的多孔结构可以方便地与其他功能组分结合，在实现材料功能化方面具有独特优势。
然而， 已报道的功能化气凝胶纤维多为单一功能化材料，如何设计制备多功能集成的智能纤维面临巨大挑战。
研究团队将吸湿性LiCl引入到打孔石墨烯气凝胶纤维中，得到具有吸湿性的石墨烯气凝胶智能纤维（LiCl@HGAFs）， 实现了可空气集水、吸附制冷/制热与电磁波吸收功能的集成。
▲图1 HGAFs和LiCl@HGAFs制备示意图
为了提升纤维的吸湿动力学，将氧化石墨烯进一步进行氧化造孔得到打孔氧化石墨烯HGO，之后通过湿法纺丝、HI还原和超临界干燥，制备出了打孔石墨烯气凝胶纤维（HGAFs）。随后，以HGAFs为载体，使用浸渍的方法将LiCl负载到纤维载体中。
通过过氧化氢在高温下对氧化石墨烯进行刻蚀处理，在氧化石墨烯片层上构造出纳米孔（图1a-c），并且经过刻蚀之后的打孔氧化石墨烯分散液可以形成与氧化石墨分散液类似的液晶相，这有助于在纺丝过程打孔石墨烯片层发生动态自组装。
所得的打孔石墨烯气凝胶纤维具有优异的柔韧性（弯曲刚度Rf= 3.08×10-9 N m2），可以进行弯曲、缠绕、打结和编织（图1d-f）。从HGAFs与LiCl@HGAFs的扫描电镜照片可分析出，通过溶液浸渍法引入的LiCl均匀的分散在打孔石墨烯片层上，并且纤维本身依然保留了多孔结构。
LiCl的引入上的纤维变得更加亲水（接触角从132.6°下降到了67.3°），而并未对气凝胶纤维载体的导电性能等产生明显的影响。
▲图2 LiCl@HGAFs吸湿性能
通过对石墨烯片层进行刻蚀处理可以显著增强吸湿纤维的动力学，如图2所示，在30 min吸湿性石墨烯气凝胶纤维LiCl@GAFs与LiCl@HGAFs吸湿量分别为1.37 g g-1和1.81 g g-1，提升32.1%。
并且LiCl@HGAFs在宽湿度范围内具有高吸湿量，在相对湿度为90%的条件下6 h吸湿量可达4.14 g g-1而不产生泄露,即使在相对湿度为30%的条件下吸湿量依然可以达到0.66 g g-1，这要归功于LiCl超强的吸湿性以及HGAFs优异的限域能力。
此外，LiCl@HGAFs具有良好的光响应性与电响应性。在太阳照射下，纤维的温度可在44 s内从22℃升至46℃，光热条件下再生程度可以达到83.4%。
在12 V电压下纤维表面的温度达到131℃，可以使吸湿后的纤维完全再生。进一步的循环测试表明，在10次吸附-脱附循环中，LiCl@HGAFs的吸附量没有明显退化，具备良好的稳定性。
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来源|西北工业大学
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