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  氣凝膠纖維是一種具有高比表面積、高孔隙度、低密度等特性的新型纖維材料。氣凝膠纖維的多孔結(jié)構(gòu)可以方便地與其他功能組分結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)材料功能化方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。然而，已報(bào)道的功能化氣凝膠纖維多為單一功能化材料，如何設(shè)計(jì)制備多功能集成的智能纖維面臨巨大挑戰(zhàn)。西北工業(yè)大學(xué)孔杰教授與中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張學(xué)同研究員合作，將吸濕性LiCl引入到打孔石墨烯氣凝膠纖維中，得到具有吸濕性的石墨烯氣凝膠智能纖維（LiCl@HGAFs），實(shí)現(xiàn)了可空氣集水、吸附制冷/制熱與電磁波吸收功能的集成。

圖1 LiCl@HGAFs吸濕性纖維制備及應(yīng)用示意圖

  如圖1所示，為了提升纖維的吸濕動(dòng)力學(xué)，將氧化石墨烯進(jìn)一步進(jìn)行氧化造孔得到打孔氧化石墨烯HGO，之后通過(guò)濕法紡絲、HI還原和超臨界干燥，制備出了打孔石墨烯氣凝膠纖維（HGAFs）。隨后，以HGAFs為載體，使用浸漬的方法將LiCl負(fù)載到纖維載體中。

圖2 HGAFs和LiCl@HGAFs的表征及性能

  通過(guò)過(guò)氧化氫在高溫下對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行刻蝕處理，在氧化石墨烯片層上構(gòu)造出納米孔（圖2a-c），并且經(jīng)過(guò)刻蝕之后的打孔氧化石墨烯分散液可以形成與氧化石墨分散液類似的液晶相，這有助于在紡絲過(guò)程打孔石墨烯片層發(fā)生動(dòng)態(tài)自組裝。所得的打孔石墨烯氣凝膠纖維具有優(yōu)異的柔韌性（彎曲剛度R_f= 3.08×10^-9 N m²），可以進(jìn)行彎曲、纏繞、打結(jié)和編織（圖2d-f）。從HGAFs與LiCl@HGAFs的掃描電鏡照片可分析出，通過(guò)溶液浸漬法引入的LiCl均勻的分散在打孔石墨烯片層上，并且纖維本身依然保留了多孔結(jié)構(gòu)。LiCl的引入上的纖維變得更加親水（接觸角從132.6°下降到了67.3°），而并未對(duì)氣凝膠纖維載體的導(dǎo)電性能等產(chǎn)生明顯的影響（圖2k-m）。

圖3 LiCl@HGAFs吸濕性能的表征

  如圖3所示，通過(guò)對(duì)石墨烯片層進(jìn)行刻蝕處理可以顯著增強(qiáng)吸濕纖維的動(dòng)力學(xué)，在30 min吸濕性石墨烯氣凝膠纖維LiCl@GAFs與LiCl@HGAFs吸濕量分別為1.37 g g^-1和1.81 g g^-1，提升32.1%。并且LiCl@HGAFs在寬濕度范圍內(nèi)具有高吸濕量，在相對(duì)濕度為90%的條件下6 h吸濕量可達(dá)4.14 g g^-1而不產(chǎn)生泄露,即使在相對(duì)濕度為30%的條件下吸濕量依然可以達(dá)到0.66 g g^-1.這要?dú)w功于LiCl超強(qiáng)的吸濕性以及HGAFs優(yōu)異的限域能力。此外，LiCl@HGAFs具有良好的光響應(yīng)性與電響應(yīng)性。在太陽(yáng)照射下，纖維的溫度可在44 s內(nèi)從22℃升至46℃，光熱條件下再生程度可以達(dá)到83.4%。在12 V電壓下纖維表面的溫度達(dá)到131℃，可以使吸濕后的纖維完全再生。進(jìn)一步的循環(huán)測(cè)試表明，在10次吸附-脫附循環(huán)中，LiCl@HGAFs的吸附量沒(méi)有明顯退化，表明其具備良好的穩(wěn)定性。

圖 4 LiCl@HGAFs吸附制熱/制冷性能的表征

  基于纖維優(yōu)異的吸濕性能，該纖維可被用于吸附式制熱/制冷系統(tǒng)中。當(dāng)LiCl@HGAFs應(yīng)用在吸附制熱系統(tǒng)中時(shí)，儲(chǔ)熱密度和性能系數(shù)COP_H是主要參數(shù)標(biāo)。而對(duì)纖維吸濕的過(guò)程是一個(gè)明顯的放熱過(guò)程，根據(jù)Clausius-Clapeyron方程可以得出在水蒸汽相對(duì)分壓為0.1時(shí)纖維的儲(chǔ)熱密度為0.19 kWh kg^-1，高于美國(guó)能源部（DOE）的要求（0.071 kWh kg^-1），具有高能量密度的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)性能系數(shù)可達(dá)1.73，高于硅膠類吸附劑（1.65），適用于熱儲(chǔ)存應(yīng)用。而纖維的吸濕過(guò)程會(huì)促進(jìn)工質(zhì)（水）的蒸發(fā)，從而從環(huán)境中吸收熱量，達(dá)到制冷的目的。對(duì)于吸附制冷系統(tǒng)，性能系數(shù)COPc與單位質(zhì)量制冷參數(shù)SCP是主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。該纖維在373 K驅(qū)動(dòng)溫度下性能系數(shù)可達(dá)COPc = 0.7，由于優(yōu)異的吸脫附動(dòng)力學(xué)性能，纖維的單位制冷參數(shù)可達(dá)SCP=297 W kg^-1，優(yōu)于商用吸附劑，具有極大的應(yīng)用潛力。

圖5 LiCl@HGAFs 微波吸收性能的表征

  水在微波頻率下具有色散和高損耗的特性，吸濕后LiCl@HGAFs具有微波吸收性能。如圖5所示，在吸濕之后，材料在2.5 mm厚度下有效吸收頻寬在8.31GHz-18GHz，在頻率為17.3 GHz時(shí)達(dá)到最低的反射損耗RL= -27.9 dB。而在為吸濕時(shí)在中高頻段沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的吸收性能（反射損耗RL>-10 dB）。微波吸收性能的提高歸功于材料吸濕引入的水提供了更多的極化損耗，并且調(diào)節(jié)了材料的阻抗，實(shí)現(xiàn)了更好的阻抗效果（圖5h），減少了微波反射，進(jìn)一步提升了材料的微波吸收能力。

  通過(guò)將吸濕性LiCl引入到打孔石墨烯氣凝膠纖維中，從材料的吸濕性能出發(fā)實(shí)現(xiàn)了空氣取水、吸附制冷/制熱與可調(diào)微波吸收性能的集成，為多功能氣凝膠纖維的設(shè)計(jì)制備提供了新思路，具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。論文以“Hygroscopic holey graphene aerogel fibers enable highly efficient moisture capture, heat allocation and microwave absorption”為題發(fā)表在新一期Nature Communications（2022, 13, 1227）上。西北工業(yè)大學(xué)侯英來(lái)博士生、中科院蘇州納米所盛智芝副研究員為共同第一作者，付晨博士為合作作者，西北工業(yè)大學(xué)孔杰教授、中科院蘇州納米所張學(xué)同研究員為通訊作者。該工作獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、英國(guó)皇家學(xué)會(huì)-牛頓高級(jí)學(xué)者基金、國(guó)家自然科學(xué)基金資助。

  *以上內(nèi)容為外文精簡(jiǎn)翻譯版，詳細(xì)信息請(qǐng)參看Nature Communications原文。

  全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28906-4

  下載：Hygroscopic holey graphene aerogel fibers enable highly efficient moisture capture, heat allocation and microwave absorption