纤维素衍生物气凝胶在吸附方面的应用

从工业废水中去除有害化合物是解决其对环境和人类健康的有害影响的迫切需要。尤其是重金属和合成染料，它们排放量大，不可生物降解，致癌，并在食物链中永久残留。积极探索的净化这些污染物的技术包括吸附、化学沉淀、离子交换、络合、光降解、电渗析、反渗透和超滤膜分离。吸附法以其经济优势和技术可行性被证明是最有前途的解决方案之一。气凝胶因其具有低密度、高比表面积、高孔隙率和可回收性等优点，在吸附领域引起了广泛的研究关注。

目前，制备一种含氧化石墨烯和聚合物的复合气凝胶已被广泛应用于高效去除有机染料。Zhang等通过定向冻结技术，制备了聚(甲基乙烯醚-马来酸)/聚(乙二醇)交联的新型三维羧甲基纤维素(CMC)/还原氧化石墨烯(还原氧化石墨烯)复合气凝胶。气凝胶结构稳定性好，并且保持了对液体中有机染料的良好吸附能力。他们研究了一系列不同GO用量的交联气凝胶对亚甲基蓝（MB）的吸附性能，发现rGO的加入使其最大吸附量达到520.67mg/g。吸附动力学和等温线研究表明，吸附过程遵循准二级吸附模型和Langmuir吸附模型，吸附过程为自发过程。此外，交联气凝胶经稀盐酸溶液洗涤后易于回收，循环5次后可保持97%以上的吸附容量。这些优良的性能使交联CMC/rGO气凝胶在废水处理和环境保护方面具有潜在的应用前景。

开发吸附能力提高的改性纤维素作为氧化石墨烯组装离子中介，实现纤维素和氧化石墨烯具有韧性高、润湿性好、吸附能力多样等优点的更经济的气凝胶具有重要意义。Xiong等开发了一种具有阳离子和阴离子基团的两性纤维素（AP-MCC），用于介导氧化石墨烯和FeO纳米聚集体的自组装凝胶化，制备出具有开放通道的两性活性基团的磁性气凝胶（MAG），具有离子吸附能力，能同时去除水中的阴离子和阳离子污染物，包括染料和金属离子。对刚果红和亚甲基蓝的饱和吸附量分别达到282和346mg g，对Cu2+、Pb2+、Cd2+和Cr3+分别达到222.2 mg g、568.2 mg g、185.5 mg g和122.2 mg g。吸附动力学的拟二级动力学模型表明，阳离子和阴离子基团的化学吸附控制了吸附过程。Langmuir和Freundlich等温模型分别较好地描述了MAG对金属离子和染料的吸附行为。吸附后的MAG可以很容易地用磁铁从水中分离出来，通过温和洗脱进一步解吸，经过5次循环使用，证明了MAG结构稳定，对染料和金属离子的吸附量保持在68%以上。这为开发多功能吸附剂解决污染物的电荷多样性提供了新的思路。

为了克服生物质气凝胶在油水分离过程中机械性能差的问题，Yang等采用双向冷冻、冷冻干燥、化学交联、硅烷化等工艺制备了超弹性、高疏水性和亲油性的海藻酸钠/纤维素纳米纤维气凝胶。得到的气凝胶具有最小的能量耗散，最大压应力为80.4KPa，最小塑性变形为4.15%。超弹性、高疏水性/亲油性的气凝胶在保持原有形状的同时，可重复用于油水混合物的分离，吸油量可达气凝胶重量的34倍。此外，该气凝胶可以在泵的辅助下实现油水混合物的连续分离。

参考文献：

[1] Ganesan V, Louis C, Damodaran S P. Graphene oxide-wrapped magnetite nanoclusters: A recyclable functional hybrid for fast and highly efficient removal of organic dyes from wastewater. J. Environ. Chem. Eng. 2018, 6, 2176-2190.

[2] Zhao M K, Zhang S F, Fang G G. Directionally-Grown Carboxymethyl Cellulose/Reduced Graphene Oxide Aerogel with Excellent Structure Stability and Adsorption Capacity. Polymers, 2020, 12, 2219.

[3] Xiong J, Zhang D, Lin H, et al. Amphiprotic cellulose mediated graphene oxide magnetic aerogels for water remediation. Chem. Eng. J, 2020, 400, 125890.

[4] Yang J, Xia Y, Xu P, et al. Super-elastic and highly hydrophobic/superoleophilic sodium alginate/cellulose aerogel for oil/water separation. Cellulose, 2018, 25,

3533-3544

Exploring Electrochemical Extrusion of Wires from Liquid Metals

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.0c07697

在气体或真空环境中进行金属熔体挤出是形成金属丝的经典方法。该研究一种在电解质中进行的电化学方法，用于从金属熔体中挤出金属丝，并研究和控制所选电解质环境中LM金属丝的氧化层形成。与传统的拉丝方法不同，传统的拉丝方法依靠高温或机械力来使材料变形，而在此过程中，拉丝过程是通过电毛细管效应在略高于环境温度的温度下实现的。LM（Ga或EGaIn）在盐或者碱性电解质处产生电场，以降低LM表面张力。当达到阈值时，LM通过重力连续下拉，形成线状结构。施加的电场还充当电化学刺激，对其的调节可自发调整表面氧化过程。导线的形貌和成分表征表明，当前的方法能够制造具有可调的表面氧化物厚度和成分的LM导线。这项工作提出了一种用于LM线的电化学制造的非常规方法，为进一步的研究和工业规模化提供了前景。

Electrochemically Enabled Embedded Three-Dimensional Printing

of Freestanding Gallium Wire-like Structures

https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c16438

图案化平面和独立式3D金属体系结构的能力将实现众多应用，包括柔性电子设备，显示器，传感器和天线。低熔点金属（例如镓）由于其独特的特性（例如出色的导电性和流动性），最近引起了相当大的关注，特别是在柔性和可拉伸的电子产品和设备领域。然而，较大的表面张力，低粘度和大的密度对大规模独立的镓结构的3D打印提出了巨大的挑战，这阻碍了其进一步的应用。在该研究中，首先提出了一种电化学上可实现的嵌入式3D打印（3e-3DP）方法，该方法可用于创建平面和独立的镓线状结构，并辅助支撑水凝胶。经过增强的固化过程和去除水凝胶后，可以实现各种独立的2D和3D线状结构。通过将镓结构简单地重新组装成柔软的弹性体，就展示了基于镓的柔性导体和3D螺旋压力传感器。最重要的是，这项研究为2D和3D独立式镓结构的制造提供了一种全新且经济的方法，在柔性和可拉伸电子设备中的广泛应用具有广阔的前景。

Liquid Metal-Polymer Microlattice Metamaterials with High

Fracture Toughness and Damage Recoverability

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202004190

由于生物材料通过具有不同刚度的各种成分的组合在裂纹扩展过程中耗散能量的能力，因此它们具有出色的断裂韧性。在工程材料中复制此机制对于机械系统和诸如柔性电子和软机器人等新兴应用非常重要。在此，通过投影微立体光刻（PμSL）3D打印和镓（Ga）真空填充制造的新型液态金属（LM）填充聚合物微晶格超材料，具有面心立方结构的Ga填充超材料的断裂韧性尤其为0.8 MJ m -3，是实心和空心面心立方晶格的三倍。此外，通过利用Ga的低固-液相转变点，Ga填充的晶格具有机械可恢复性和通过加热调节的形状记忆效应。八角形晶格的机械性能即使在20％的压缩应变下也可以基本上恢复到其原始状态，并保持其屈服应力的50％以上，这表明在严苛条件下具有显着的可恢复性和可重复使用性。该结果为软机器人，柔性电子产品和生物医学应用的可调谐特性和高可恢复性的机械超材料的设计和制造提供了新的思路。

掺杂钬离子的复合材料

      钬（Ho）是一种低着色性和强磁矩的镧系元素[1]， Ho表现出任何自然元素中最高的磁矩（10.6μB）。镧系元素具有独特的功能是因为其分子内4f轨道的能量低于5d轨道的能量，并且屏蔽了4f轨道中的电子[2]。

      研究者使用一种简单的方法，通过添加Ho基于三维聚合物网络制备磁性材料。通过将聚丙烯酸（PAA）和Ho结合，三维立体地将Ho引入到聚合物基体中，成功地制备了磁性聚合物网络[1]，其中聚合物本身对磁体产生响应。钬元素通过以其本身为中心的共价键聚集在PAA基质中。本方法允许使用聚合物支架例如聚合物接枝的颗粒和交联的聚合物凝胶来制备各种各样的磁性材料。此外研究发现构建在板上的3D磁性聚合物网络会响应磁体而收缩。将大量的Ho引入内部的微米级凝胶可以根据磁体的移动而快速移动，由于高的Ho含量，这些材料对磁铁反应很快。这种制备磁性材料的方法将为材料设计提供灵活性，并大大扩展磁性材料的应用范围。

       细菌对抗生素的耐药性已成为全球性威胁。掺杂钬离子的氧化石墨烯（GO）是一种新兴的抗菌剂，结合了多种机理（物理插入和化学破坏），GO丰富的官能团使纳米材料的络合/结合能够进一步提高抗菌性能。将顺磁性金属离子（即Ho3 +）引入GO纳米片中，以提供优先的纳米片取向，因此达到协同抗菌功效[2]。我们首先将Ho3 +络合到GO纳米片上以增加其磁响应，从而使我们能够在更实际的场强下控制纳米片的取向。具有Ho3 +的GO纳米片可以在弱磁场（<0.5 T）下垂直取向，这是通过普通商用磁体即可以实现。这种优先定向增加了GO锐边的密度，以更好地穿透细菌膜。而且，缀合的金纳米团簇（AuNCs）被有效地递送到细菌中以诱导高氧化应激，这强烈干扰细菌的代谢，导致革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的死亡。该抗菌剂同时使用物理（定向GO）和化学（GO和AuNCs）机制来实现协同抗菌性能。

        利用具有低可着色性和高磁矩的钬元素制备无色磁性纳米粒子。用掺Ho的聚合物刷修饰的亚微米级SiO2颗粒几乎是无色的[3]，并能快速响应磁铁。所得的无色磁性纳米颗粒在溶剂中的分散性很好，并且人眼几乎看不见，使其可用于磁性墨水和防伪材料等应用。利用这些无色特性，我们还通过在PAAEM（3-氧(代)丁酸-2-[2-甲基-2-丙烯酰基)氧]乙基酯）中共聚合染料单体成功获得了彩色的磁性纳米粒子。通过混合三种主要的彩色磁性颗粒，即黄色磁性颗粒，品红色磁性颗粒和青色磁性颗粒，开发了全色磁性纳米颗粒[3]。另外，在该系统中，由于可以通过Ho掺杂容易地控制磁性的存在或不存在，因此可以控制包括透明色在内的各种颜色。这种使用掺Ho聚合物的简单而新颖的工艺，在实际应用中有很大的价值。

1.          Kohri, M., et al., Magnetically Responsive Polymer Network Constructed by Poly(acrylic acid) and Holmium. Macromolecules, 2018. 51(17): p. 6740-6745.

2.          Zheng, K., et al., Synergistic Antimicrobial Capability of Magnetically Oriented Graphene Oxide Conjugated with Gold Nanoclusters. Advanced Functional Materials, 2019. 29(46).

3.          Kohaku, K., et al., Full-Color Magnetic Nanoparticles Based on Holmium-Doped Polymers. ACS Applied Polymer Materials, 2020. 2(5): p. 1800-1806.