Biomimetic structural cellulose nanofiber aerogels with exceptional mechanical, flame-retardant and thermal-insulating properties

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.124449

在本研究中，通过空间限制策略，将二维磷酸锆生长嵌入多层石墨烯中，可形成分级石墨烯约束的磷酸锆(ZrP/RGO)纳米片。采用单向冷冻套管技术将纤维素纳米纤维和ZrP/RGO纳米片组装成具有优异隔热、机械和阻燃性能的仿生结构气凝胶。ZrP/RGO/CNF气凝胶具有低密度(9.06 kg·m)和高孔隙率(99.7%)、由桥连接的仿生薄片结构。此外，各向异性的结构导致在保温、机械刚度和阻燃性上的显著差异。垂直于层状排列的ZrP/RGO/CNF气凝胶具有较低的导热系数(18mW·m·k)，较高的杨氏比模量(104 kN·m·kg)，极低的峰值热释放速率（14.1kW·m）， 高的极限氧指数（33.5）。垂直于层状排列的炭渣具有较高的密实度、石墨化度和抗氧化性，有利于防止热辐射和氧分子的渗透。此外，ZrP/RGO的加入可以明显提高复合气凝胶的热稳定性，减少热解挥发物的释放。

Nanocellulose-MXene Biomimetic Aerogels with Orientation-Tunable Electromagnetic Interference Shielding Performancee

DOI: 10.1002/advs.202000979

本文设计了一种具有电磁干扰屏蔽性能的超低密度和高柔性MXene/CNF混合气凝胶。MXene的固有性质和结构，以及CNFs和MXene纳米片之间的相互作用，能够高效地制造出具有定向仿生细胞壁的高电磁屏蔽性气凝胶。作者发现电磁干扰强度很大程度上取决于定向细胞壁与入射电磁波电场方向之间的夹角，当定向细胞壁与电场方向平行时，电磁干扰强度最大。在密度仅为8.0或1.5 mg cm时，气凝胶的电磁干扰屏蔽效能分别达到74.6或35.5 dB。此外，超轻气凝胶的特定屏蔽效能(SSE)和SSE/t值分别能达到30 660和189 400 dB cm g，大大超过了目前报道的其他EMI屏蔽材料。MXene/CNF混合细胞壁之间的良好耦合，导致气凝胶具有超高的电磁干扰屏蔽效率，使得这种超轻气凝胶可以用于器件屏蔽，帮助消除电子器件的微型化过程中的电磁辐射。

文献：Electricity generation based on a photothermally driven Ti3C2Tx MXene nanofluidic water pump

通讯作者：Jiayan Luo 作者单位：天津大学

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520300380?via%3Dihub

 

             

常用的太阳能利用方式是将光能转化为热能-动能-电能这三步。但是，以往太阳能光热转化过程中需要非常庞大的组件，限制了其广泛应用。本工作提出了一个小型化的纳米流体能量转化材料，只需在离子溶液上放置一个MXene膜，并将膜的一部分暴露在光下。MXene的独特光热特性将非对称光辐射转化为水蒸发梯度，通过膜中的纳米流体通道泵送水，从而定向输送阳离子并产生流动电势。以纳米流体光热发电作为替代太阳能发电技术用于微流体/纳米流体设备供电具有潜在的应用前景。

 

 

文献：Bioinspired Microspines for a High-Performance Spray Ti3C2TxMXene-Based Piezoresistive Sensor

通讯作者：Yihua Gao 作者单位：华中科技大学

链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b08952?fig=tgr1&ref=pdf

近年来，可穿戴且兼具灵活性的压力传感器吸引了人们的研究兴趣，并报道了如包括人类活动监测、生物医学研究和人工智能交互等应用。然而，低成本、高灵敏度的压阻传感器仍然面临着巨大的挑战。受MXene的特殊结构和人体皮肤的高性能传感效应（包括随机分布的微结构受体）的启发，本工作设计了一种基于MXene通过简单的砂纸模版印刷工艺制备的显微组织高灵敏度压阻传感器。该压阻式传感器具有高灵敏度（151.4 Kpa−1），较短的响应时间（<130 ms），微压力检测极限为4.4 Pa，在10000个周期内具有良好的循环稳定性。通过原位电子显微镜和有限元模拟，从结构角度动态揭示了传感器高灵敏度的机理。该材料的微结构可以有效地提高压力传感器的灵敏度和可检测微小压力的极限。在实际应用中，该传感器在监测人体生理信号、定量检测压力分布、实时远程监测智能机器人运动等方面具有良好的应用前景。

MillisecondResponseofShapeMemoryPolymerNanocompositeAerogelPoweredbyStretchableGrapheneFramework链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b00428通讯作者：高超单位：浙江大学结合高导电性的完整石墨烯框架和聚己内酯（PCL）纳米薄膜，制备了具有双连续网络的毫秒响应形状记忆复合材料。通过3D打印技术打印出可拉伸的石墨烯气凝胶框架，再负载上厚度在2.5-60纳米的聚己内酯层，纳米级PCL层能量传输距离极短，加快了聚己内酯的相变。这种结构设计将形状记忆聚合物的恢复时间限制缩短至50毫秒，为实现具有快速响应和大变形能力的形状记忆复合材料提供了一种有效的方法，其性能优于目前常见的形状记忆材料。整体石墨烯网格的高效能量转换和聚己内酯纳米薄膜中纳米尺度的能量传输距离共同赋予了与纳米复合气凝胶相当的恢复时间。此外，由于可拉伸的三维印刷石墨烯框架，使其同时具有大变形应变和可控变形能力。快速响应、可拉伸性和可设计性的结合为我们的形状记忆复合材料提供了在智能器件和微型机器人中制造高频表面贴装器件的巨大机会。SuperplasticAir-DryableGrapheneHydrogelsforWet-PressAssemblyofUltrastrongSuperelasticAerogelswithInfiniteMacroscale链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201901917通讯作者：曲良体单位：北京理工大学

对于致密的石墨烯3D微结构，尽管机械强度和导电性明显增强，由于石墨烯片高度聚集，变得可塑且易碎。到目前为止，仍然缺乏一种可行的三维微结构和简便的组装方法来构建具有超弹性和高机械强度的石墨烯单片，且常用的冷冻干燥法无法组装大尺寸的石墨烯气凝胶。以气泡和冰晶为双模板，采用改进的溶胶-凝胶法，精心设计了具有各向同性、开孔和高度多孔微结构的超塑性空气干燥石墨烯气凝胶（SAGHs）通过简单的空气干燥，无数的SAGHs“砖”可以通过压制有序地组装在一起，以制造强结合的石墨烯气凝胶“壁”。具有高度定向、致密、多拱结构的湿压组装石墨烯气凝胶(WAGA)具有任意大的宏观尺度、优异的抗压强度(高达47MPa，比以往报道的最佳值高10倍以上)、超弹性(>97%应变)和高导电性(378S·m-1)。在高压/应变传感器、可调谐机械能吸收器、高性能耐火材料和绝热材料领域，这种聚合物被证明是优良的结构和多功能材料，这种简单的策略很容易推广到制造其他类似的材料。

文献：3D hierarchical porous amidoxime fibers speed up uranium extraction from seawater

通讯作者：Hongjuan Ma

单位：上海应用物理研究所

酰胺肟基聚合物（ABP）纤维的发展为海水提铀（UES）提供了解决方案，也为解决铀资源短缺提供了另一种途径。但现有方法制备的ABP吸附剂不能满足吸附容量大、选择性高、机械强度好、使用寿命长的要求。本文通过轴向接枝链的自组装，制备了一种三维多孔高比表面积ABP（H-ABP）纤维。在天然海水中获得了11.50mg-U/g的高吸附容量，这是UES的一个重大突破。同时，铀的吸附量大于其主要竞争元素钒，使纤维的U/V质量比发生逆转。H-ABP纤维还表现出良好的机械强度和较长的使用寿命，至少有10个吸附-解吸循环。设计合理的结构使其具有突破性的性能，完全满足UES经济评价的要求。这项工作提出了一种新的合成UES吸附剂的新技术，从而开辟了一种从海洋生产核燃料的全新途径。

文献：Significantly Enhanced Uranium Extraction from Seawater with Mass Produced Fully Amidoximated Nanofiber Adsorbent

通讯作者：Ning Wang

单位：海南大学

海洋中的铀含量是陆地矿石的数百倍。纤维吸附法被认为是实现海水提铀工业化的最有前途的方法。在这项工作中，一个预胺肟化和吹纺纱策略被开发用于大规模生产聚（酰亚胺二氧肟）纳米纤维（PIDO-NF）吸附剂，其具有许多螯合位点、良好的亲水性、三维多孔结构和良好的机械性能。13C-NMR谱的结构证据表明，铀酰结合的主要官能团不是酰胺肟，而是环状的酰亚胺二肟，PIDO-NF吸附剂在含铀（8ppm）的天然海水中对铀的吸附量达到951mg-U/g-Ads。在天然海水中通过流动柱系统暴露56d后，平均吸附量为8.7mg-U/g-Ads。此外，高达98.5%的吸附铀可以快速洗脱出来，吸附剂可以再生并重复使用8个以上的吸附-解吸循环。这种新型吹纺PIDO纳米织物显示出作为新一代海水提铀吸附剂的巨大潜力。

文献：3D hierarchical porous amidoxime fibers speed up uranium extraction from seawater

通讯作者：Hongjuan Ma

单位：上海应用物理研究所

酰胺肟基聚合物（ABP）纤维的发展为海水提铀（UES）提供了解决方案，也为解决铀资源短缺提供了另一种途径。但现有方法制备的ABP吸附剂不能满足吸附容量大、选择性高、机械强度好、使用寿命长的要求。本文通过轴向接枝链的自组装，制备了一种三维多孔高比表面积ABP（H-ABP）纤维。在天然海水中获得了11.50mg-U/g的高吸附容量，这是UES的一个重大突破。同时，铀的吸附量大于其主要竞争元素钒，使纤维的U/V质量比发生逆转。H-ABP纤维还表现出良好的机械强度和较长的使用寿命，至少有10个吸附-解吸循环。设计合理的结构使其具有突破性的性能，完全满足UES经济评价的要求。这项工作提出了一种新的合成UES吸附剂的新技术，从而开辟了一种从海洋生产核燃料的全新途径。

文献：Significantly Enhanced Uranium Extraction from Seawater with Mass Produced Fully Amidoximated Nanofiber Adsorbent

通讯作者：Ning Wang

单位：海南大学

海洋中的铀含量是陆地矿石的数百倍。纤维吸附法被认为是实现海水提铀工业化的最有前途的方法。在这项工作中，一个预胺肟化和吹纺纱策略被开发用于大规模生产聚（酰亚胺二氧肟）纳米纤维（PIDO-NF）吸附剂，其具有许多螯合位点、良好的亲水性、三维多孔结构和良好的机械性能。13C-NMR谱的结构证据表明，铀酰结合的主要官能团不是酰胺肟，而是环状的酰亚胺二肟，PIDO-NF吸附剂在含铀（8ppm）的天然海水中对铀的吸附量达到951mg-U/g-Ads。在天然海水中通过流动柱系统暴露56d后，平均吸附量为8.7mg-U/g-Ads。此外，高达98.5%的吸附铀可以快速洗脱出来，吸附剂可以再生并重复使用8个以上的吸附-解吸循环。这种新型吹纺PIDO纳米织物显示出作为新一代海水提铀吸附剂的巨大潜力。

A “Yin”-“Yang” complementarity strategy for design and fabrication of dual-responsive bimorph actuators

通讯作者：Sun Hongbo

第一单位：吉林大学

链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285519310092?via%3Dihub

                                               

该篇主要为现行的双层异质驱动器归纳总结了一种设计理念，该理念融合了中国古典哲学的阴阳理论，从而将异质膜驱动器之间的相互性和可转化性总结出来。该文设计纳米级石墨(Nano-G)和聚偏二氟乙烯(PVDF)的复合层与氧化石墨烯(GO)结合，形成双层结构。。对于水分的反应，GO是正的，意思是阳，而Nano-G@PVDF是负的，意思是阴。相反，在光照射下，GO是负的;而光热纳米@ pvdf层是正的。在该基础上，本文设计了双向（x/y）行走机器人和一个由水分/光照双重控制的抓手，从而验证了本文设计理念的可行性。

 

Multi-stimuli-responsive programmable biomimetic actuator

通讯作者：Liu Bifeng

第一单位：华中科技大学

链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-019-12044-5

传统的驱动器往往只能响应少数的外部刺激并且不具备结构上的可编程性，该文作者设计了一种简单且高效的设计方式，即通过一个精确的局部反应，以溶剂负载琼脂糖水凝胶印章制作可编程氧化石墨烯/聚合物双层驱动器。文章中选择聚吡咯(PPy)作为代表聚合物，因为它在先前报道的致动器系统中的杰出性能。有趣的是，这种可编程的GO/PPy双层驱动器可以快速制作，并且由于水分子的吸附/解吸，在湿度、温度和红外(IR)光的刺激下表现出优异的驱动性能。对氧化石墨烯薄膜进行了聚苯胺(PANI)、聚乙烯二氧噻吩(PEDOT)和海藻酸钙水凝胶的局部改性，对氧化石墨烯纤维和氧化石墨烯泡沫进行了PPy改性。作为典型的例子，GO/PPy双层致动器模仿鹰爪和卷须攀缘植物被设计为可控制的物体运输

Ternary Alloys Encapsulated within Different MOFs via a Self-Sacrificing Template Process: A Potential Platform for the Investigation of Size-Selective Catalytic Performances

 

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.201700683

DOI:10.1002/smll.201700683

Chen等花状RhCoNi三元合金为自牺牲模板，成功制备了具有不同结构MOF壳的两种复合催化剂RhCoNi @ ZIF-67（Co）和RhCoNi @ MOF-74（Ni）。首先，通过简便的自牺牲模板工艺成功地制备了包覆有不同结构MOF的RhCoNi @ MOF复合催化剂。然后，通过使用不同的有机分子作为蚀刻剂和配位试剂（例如，2，5-二羟基对苯二甲酸或2-甲基咪唑），可以有针对性地溶解合金模板中的Co或Ni元素，从而产生ZIF-67（Co）或MOF-74（Ni）壳，从而产生相应的ZIF-67(Co)或MOF-74(Ni)。由于MOF-74（Ni）与ZIF-67（Co）的孔径差异很大，因此制备的两种复合催化剂在烯烃加氢过程中表现出不同的粒径选择性。这项工作在全面地了解MOF在增强纳米颗粒@MOF复合材料催化性能方面的内在作用的方面做出了贡献。

图1  合成RhCoNi@ZIF-67(Co)和RhCoNi@MOF - 74 (Ni) 的示意图.

 

Vertically Aligned Nickel 2‑Methylimidazole Metal−Organic Framework Fabricated from Graphene Oxides for Enhancing FireSafety of Polystyrene

 

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.7b01906

DOI: 10.1021/acs.iecr.7b01906

Hou等采用溶剂热法制备了花状镍- 2-甲基咪唑金属有机骨架(Ni-MOF)。采用同样的方法从氧化石墨烯(GO)溶液中制备了垂直排列的Ni-MOF。氧化石墨烯与Ni-MOF (GOF)的结合明显抑制了Ni-MOF薄片的团聚。合成后的GOF具有较大的孔容和比表面积，有利于挥发性降解产物的吸附。值得注意的是，GOF的加入明显降低了聚苯乙烯(PS)的火灾危险性。当添加剂的含量仅为1.0 wt %时，PS/GOF复合材料的峰值放热率降低了33%以上。同时，在PS / GOF燃烧过程中，总烟气和CO生成量的减少也很明显，与纯PS相比分别减少了21％和52.3％。层状氧化石墨烯与多孔Ni-MOF的协同作用实现了PS性能的改善。因此,这项工作为一个可行的途径为提高消防安全设计高效的阻燃剂的聚合物。

图2  GOF在PS复合材料热降解过程中的阻燃和催化氧化机理示意图

 

2‑Methylimidazole-Derived Ni−Co Layered Double Hydroxide Nanosheets as High Rate Capability and High Energy Density Storage Material in Hybrid Supercapacitors

 

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.7b02987

DOI: 10.1021/acsami.7b02987

Wang等采用一步溶剂热反应合成了一种直接生长在柔性碳纤维布(NiCo-LDH/ CFC)上的超薄镍钴层状双氢氧化物纳米薄片。以2-甲基咪唑为络合物，甲醇为溶剂，制备的NiCo-LDH/CFC表现出(003)晶面优先生长和层间间距扩大的结构，形成独特的三维多孔纳米结构，纳米片厚度约为57nm，具有较高的储能性能。通过控制前驱体溶液中Ni/Co的比值为4:1，在电流密度为1 A g^-1时，电极的比电容为2762.7 F g^-1 (1243.2 C g^-1)。在Ni/Co = 1:1的最佳比例下，在1A g⁻¹时，其比电容为2242.9 F g⁻¹ (1009.3 C g⁻¹)。此外，在电流密度为60 A g⁻¹的情况下，可保留61%的原始电容，具有优良的倍率性能。基于NiCo- LDH/CFC的混合超级电容器(HSC)的最大能量密度为59.2 Wh kg^-1，功率密度为34 kW kg^-1。长期稳定性试验表明，在5000次循环后，HSC仍保留了82%的原电容。同时，HSC具有良好的柔韧性，HSC的电化学性能在器件弯曲达180度时基本没有变化。所以，合成的NiCo-LDH/CFC材料的性能表明了该材料在储能器件中提供高能量密度和高功率密度的巨大潜力。

【文献分享】

 Electric‐Field‐Regulated Energy Transfer in Chiral Liquid Crystals for Enhancing Upconverted Circularly Polarized Luminescence through Steering the Photonic Bandgap

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202000820

AM 2020.5.6

通讯作者：段鹏飞

单位：国家纳米中心

上转换圆偏振发光（UC-CPL）这一概念首次提出至今，受到了广泛的关注，基于不同发光机制的UC-CPL已经被一一报道。然而目前所得到的发光不对称因子(g_lum)普遍较低，所以寻找一种能够提升UC-CPL的发光不对称因子，并兼具良好发光效率的方法，已经成为圆偏振发光材料领域一个关键问题。在多种手性材料中，手性向列相液晶（N*LC）是一种常用的圆偏振光控制材料，其独特的圆二色性能够通过光子禁带选择性地反射同手性的圆偏振光，因此大量的报道都是借助于手性向列相液晶作为主体材料，通过掺杂不同的发光材料来构筑圆偏振发光液晶材料。但是由于光子禁带的强反射性能，这种方式得到的圆偏振光的发射强度会被严重抑制。因此，对于具有圆偏振发光性能的N*LC来说，如何同时获得兼具高g_lum值和高发光效率是非常关键的问题。

本文通过向购买的商业化手性向列液晶SLC1717混入一定量的上转换纳米粒子（UCNPs）和CsPbBr 3钙钛矿纳米晶体（PKNC），基于从UCNPs到CsPbBr3 PKNCs的辐射能量转移(RET)过程的增强型上转换圆偏振发光(UC‐CPL)被成功实现。通过将CsPbBr3 PKNCs的发射峰定位在N*LC的光子带隙中心，可以将UC‐CPL的最大glum值放大到1.1的极大值。同时，由于N*LC的带边增强效应，可以显著增强UCNPs的上转换发射，进而通过RET过程增强CsPbBr3 PKNCs的发射。此外，施加的电场可以切换UCNP的上转换发射以及RET过程，从而实现电场控制的UC-CPL开关。

拓展阅读 https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.jpclett.9b03408

一、
题目：Fast Gelation of Ti3C2Tx MXene Initiated by Metal Ions

https://doi.org/10.1002/adma.201902432.
 

凝胶化是实现纳米材料自组装成不同宏观结构的有效方法之一，MXene是一种重要的二维材料，但是很难实现凝胶化。在此文献中，报道了由二价金属离子引发的水分散体中MXene的凝胶化，在这种方法中，二价金属离子（Fe2+）牢固结合到MXene上的OH基团上，从而破坏静电排斥力并充当结合位点，导致MXene 纳米片在水溶液中凝胶化。这样的凝胶化过程很容易实现，并保留了MXene 纳米片的特性。将水凝胶直接用作超级电容器的电极显示出出色的倍率能力（在2 mV s-1和1000 mV s-1的扫描速率下分别为272 F g-1和226 F g-1），显了其在高性能能源存储设备中的巨大潜力。更为重要的是，MXene的凝胶化提供了通过构建各种基于MXene的可调结构并开发不同应用的新方法。

二、
题目：Highly Stable 3D Ti3C2TxMXene-Based Foam Architectures toward High-Performance Terahertz Radiation Shielding

https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.9b08832
 

具有金属导电性的MXenes有望用于电磁屏蔽。在此篇文献中，自金属基底自发扩散至酸性MXene分散体的多价金属离子（Zn2+）和少量的氧化石墨可有效地交联MXene片材，形成定向的多孔三维结构。独特的交联多孔结构赋予MXene泡沫以良好的可折叠性，在潮湿环境中具有出色的耐久性和稳定性。此外，这种MXene泡沫还具有令人满意的且可调节的电磁屏蔽性能， MXene泡沫在厚度仅为85μm的情况下拥有51 dB的太赫兹屏蔽性能，并且其表面反射性比薄膜同类产品低得多，这些性能源于精心设计的导电多孔结构。这项工作不仅为开发高性能太赫兹屏蔽材料提供了合适的材料，而且为制造这种潜力丰富的三维MXene结构提供了一种高效、可控且通用的途径。