IUPAC 2022化学领域十大新兴技术 | 速览2022年刘天西教授团队气凝胶复合材料的研究

一、研究方向

刘天西教授团队围绕气凝胶功能复合材料开展了系统研究，实现了多种气凝胶复合材料的可控构筑，包括聚合物复合气凝胶、纳米纤维气凝胶、气凝胶纤维/织物以及碳气凝胶等，并探索了其在隔热阻燃、智能热管理、电磁屏蔽与吸收、能源存储与转换等领域的应用，为高性能及多功能一体化的新型气凝胶复合体系的设计和研发奠定了坚实基础。主要集中在三个研究方向，它们分别是：

1、轻质隔热聚合物基复合气凝胶；

2、智能热管理气凝胶纤维及织物；

3、电磁屏蔽/吸波气凝胶材料；

二、文献分析

1、基于二甲苯的聚酰亚胺/MXene气凝胶，具有径向层状结构，用于高灵敏度应变检测和高效太阳能蒸汽生成

通讯作者：黄云鹏、刘天西

通讯单位：江南大学化学与材料工程学院

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c01486

将导电组分与聚合物基质结合在一起的压缩宏观泡沫或气凝胶被证明是柔性压阻传感器的优选候选者。与其他聚合物相比，聚酰亚胺（PI）具有优异的机械性能和耐热性，已广泛应用于高强度聚合物气凝胶的构建。在此，刘天西教授团队通过模拟双子叶植物茎中的木质部射线，通过界面增强策略和径向冰模板方法制备了重量轻、高度可压缩、径向结构的PI/MXene复合气凝胶，其在压阻压力传感和光热蒸发方面表现出突出的性能。水溶性聚酰胺酸（PAA）作为PI的前体，可以与MXene薄片形成强大的界面结合，从而有效提高复合气凝胶的凝胶化能力和机械强度。同时，径向冰模板策略可以在复合气凝胶中实现径向排列的层状多孔结构的可控构建，从而在纵向方向上获得优异的机械性能和导电性。结果得到的复合气凝胶显示出0.5%−80%应变的宽检测范围（60 Pa至76.5 kPa），优异的压力敏感性（4.3 kPa−1），当用作压力传感器时，具有快速的压阻响应能力和良好的长期稳定性，可实时检测各种人体运动。仿生径向水传输通道和光吸收MXene组分甚至赋予气凝胶优异的光热蒸发性能，在4种阳光强度的照射下，水蒸发速率为14.4 kg/m−2 h−1小时。因此，巨大的机械强度、优异的压阻传感能力和光热转换性能使RPIMX复合气凝胶有望成为柔性/可穿戴压阻传感器和太阳能蒸发器的候选材料。

2、可压缩和轻量级的MXene/碳纳米纤维气凝胶，具有“层-支柱”支撑的微观结构，用于高效的能量存储

通讯作者：黄云鹏、刘天西

通讯单位：江南大学化学与材料工程学院

论文链接：

https://doi.org/10.1007/s42765-022-00140-z

二维MXene因其电导率高、比表面积大、电活性显著等特点，近年来在储能和转换领域得到了广泛的研究关注。然而，MXene薄片的自叠严重影响了其性能。通过协同组装和冷冻干燥工艺，制备了具有典型“层-支柱”支撑三维微观结构的导电Ti3C2Tx/碳纳米纤维(CNF)复合气凝胶。在聚合物前驱体纳米纤维与MXene单层间强界面相互作用的情况下，Ti3C2Tx的凝胶化能力和三维成形能力得到了极大的增强，使Ti3C2Tx/CNF气凝胶具有高度有序的微孔结构，CNF在大尺寸MXene层间穿透。这种特殊的结构保证了复合气凝胶的稳定性和柔韧性。此外，三维形式的互联导电网络和平行排列的孔隙允许自由的电载流子运动和离子迁移。结果表明，制备的Ti3C2Tx/CNF气凝胶电极在电流密度为0.5A g-1时，具有优异的重量比电容268 F g−1和8000次循环的良好循环稳定性，以此组装的对称超级电容，在6000 W kg−1提供了3W h kg−1的高能量密度。该工作为先进储能材料三维MXene组件的合理构建提供了新的途径。

3、具有可控多孔微结构的聚酰亚胺气凝胶纤维，用于极端环境下的超级隔热

通讯作者：樊玮、刘天西

通讯单位：东华大学材料科学与工程学院

论文链接：

https://doi.org/10.1007/s42765-022-00145-8

气凝胶纤维和织物有望成为下一代轻质、高效隔热的可穿戴服装。气凝胶纤维在保暖服装中的应用引起了人们的极大兴趣。然而，尽管采用了创新的多孔结构设计，气凝胶纤维实现高孔隙率和低导热率仍然具有挑战性。刘天西教授团队以聚乙烯醇(PVA)为孔隙调节剂，采用冷冻纺丝法制备了轻质超热绝缘聚酰亚胺(PI)气凝胶纤维。PVA对水的高亲和力使其能够加速冰晶成核，调节孔隙形成，构建可控的PI气凝胶纤维多孔结构。制备的PI气凝胶纤维孔隙尺寸显著减小，孔隙率高(95.6%)，柔韧性和机械强度提高，可织造成织物。PI气凝胶织物在较宽的温度范围内(从- 196℃到300℃)具有较低的导热系数和良好的隔热性能。此外，PI气凝胶织物可以很容易地功能化，以扩大其应用，如智能温度调节和光热转换。这些结果表明，气凝胶纤维/织物是下一代用于个人热管理的纺织材料。

4、用于智能个人温度调节的聚酰亚胺/氮化硼复合气凝胶纤维相变纺织品

通讯作者：樊玮、刘天西

通讯单位：东华大学材料科学与工程学院

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109541

气凝胶纤维在相变过程中有利于增强相变材料的热响应和防止相变材料的泄漏，是具有良好热调节性能的相变纺织品的优良候选材料。刘天西教授团队采用冷冻纺丝技术制备了多孔结构高、机械强度好的聚酰亚胺/氮化硼复合气凝胶纤维，可作为PCMs的导热路径和骨架。采用真空浸渍法将聚乙二醇(PEG)加入到PI-BN气凝胶织物的孔隙中，得到相变性的PI-BN/PEG织物。PI-BN骨架的高导热系数可以使PI-BN/PEG织物在相变过程中具有较快的热响应速率，而气凝胶纤维的高孔隙率可以使PEG在相变过程中有较高的负载，抑制液体泄漏。合成的PI-BN/ PEG复合纺织品具有很高的导热系数(5 W m−1 K−1)，高焓(125 J g−1)和在100个加热-冷却循环后良好的工作稳定性，从而实现了所需的热调节性能。此外，在PI-BN/PEG织物表面涂覆了聚二甲基硅氧烷(PDMS)，使织物具有疏水性、防水性和可水洗性，显示出其作为个人热管理的巨大潜力。

5、基于Ti3C2Tx薄片的分层多孔聚酰亚胺气凝胶纤维用于隔热和阻燃

通讯作者：黄云鹏、刘天西

通讯单位：江南大学化学与材料工程学院

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.coco.2022.101429

隔热和阻燃纤维/纺织品因其在个人热管理和防护服方面的巨大应用前景而受到极大关注。然而，传统的天然纤维和合成纤维不足以进行高级热调节。该文中，刘天西教授团队采用原位聚合方法和湿法纺丝技术，利用单层Ti3C2Tx薄片作为孔生成剂，连续和可扩展地制造聚酰亚胺（PI）气凝胶纤维。得益于MXene和大分子链之间的紧密界面相互作用，由于液固相分离过程中相互连接的PAA/Ti3C2Tx网络的限制，复合气凝胶纤维中形成了分层孔隙。结果，PI/Ti3C2Tx气凝胶纤维表现出显著增强的机械性能（拉伸强度为26 MPa）、大的比表面积（145 m2 g−1）、优异的阻燃性和显著的隔热性能（导热系数为36 mW m−1 K−1），基于此，其还可以容易地编织成用于实际热调节应用的柔性织物。该研究方法有望为高性能隔热纤维和纺织品的制造和应用开辟一条新的道路。

三、通讯作者简介

刘天西

刘天西，江南大学“至善特聘教授”，博士生导师。英国皇家化学会会士、国家杰出青年基金获得者、上海市领军人才、上海市优秀学术带头人、上海市曙光学者、上海市青年科技启明星、教育部新世纪优秀人才、德国洪堡学者。现任Composites Communications共同主编、Advanced Fiber Materials副主编、Functional Composite Materials副主编、教育部科技委交叉科学与未来技术专委会委员、中国复合材料学会·纳米复合材料分会主任、超细纤维复合材料分会副主任、导热复合材料分会副主任。主要研究方向：高分子纳米复合材料、气凝胶功能复合材料、纳米纤维及其复合材料、纳米能源复合材料及器件。在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.等期刊发表SCI论文400余篇，他引2万余次，H因子80；2016~2018连续三年入选英国皇家化学会（RSC）材料科学“Top 1% 高被引学者”；2018年入选科睿唯安“全球高被引科学家”（材料科学）；2018~2021连续四年入选爱思唯尔“中国高被引学者”（材料科学、化学工程与技术）。