TiO2作為一種重要的原料，已被廣泛應(yīng)用于與人類(lèi)生活息息相關(guān)的行業(yè)，如涂料、防曬霜、食品添加劑等。2019年全球市場(chǎng)規(guī)模達(dá)166.4億美元，未來(lái)五年的復(fù)合增長(zhǎng)率預(yù)期高達(dá)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(guò)呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體，從而引發(fā)健康風(fēng)險(xiǎn)。因此，歐盟已于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(lèi)致癌物。此外，這些納米材料很難回收利用，一旦釋放到環(huán)境中，會(huì)對(duì)自然界的動(dòng)植物產(chǎn)生生物毒性。因此，開(kāi)發(fā)使用安全系數(shù)高、易回收的自支撐TiO2材料是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作。
近日，東華大學(xué)紡織科技創(chuàng)新中心俞建勇院士、丁彬教授、劉一濤教授報(bào)道了一種全新的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(gòu)筑基元，以少量SiO2溶膠為化學(xué)交聯(lián)劑，利用冷凍成型的方法，實(shí)現(xiàn)了TiO2納米纖維的定向組裝，制備出具有有序胞腔結(jié)構(gòu)的TiO2納米纖維氣凝膠。該納米纖維氣凝膠在高達(dá)40%的應(yīng)變下可反復(fù)壓縮未見(jiàn)明顯的塑性形變，表現(xiàn)出優(yōu)異的動(dòng)態(tài)力學(xué)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(jìn)一步通過(guò)鋰金屬還原產(chǎn)生豐富的氧空位，從而有效地調(diào)控TiO2的電子結(jié)構(gòu)，使其電導(dǎo)率高達(dá)38.2 mS cm–1。
TiO2納米纖維氣凝膠的有序胞腔結(jié)構(gòu)使其具有超低的體密度、超高的孔隙率和優(yōu)異的彈性
鋰金屬還原的TiO2納米纖維氣凝膠具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能和光學(xué)性能
作為一種概念驗(yàn)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于環(huán)境固氮，表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化活性。此外，該納米纖維氣凝膠在酸性、堿性及中性電解質(zhì)中均表現(xiàn)出優(yōu)異的耐久性。密度泛函理論（DFT）計(jì)算表明，氧空位的存在可以促進(jìn)氮?dú)獾奈胶突罨?，從而有助于提高電催化活性。除了在電催化領(lǐng)域的應(yīng)用外，高導(dǎo)電、超輕、高彈TiO2納米纖維氣凝膠在儲(chǔ)能、光催化、柔性電子器件等領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。
相關(guān)工作以“Conductive and Elastic TiO2?Nanofibrous Aerogels: A New Concept toward Self-Supported Electrocatalysts with Superior Activity and Durability”為題發(fā)表在德國(guó)應(yīng)化上（Angewandte Chemie International Edition, DOI: 10.1002/anie.202010110）。論文第一作者為東華大學(xué)紡織學(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金、上海市教育委員會(huì)、東華大學(xué)勵(lì)志計(jì)劃等項(xiàng)目的大力資助。
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