“一箭多雕”:Vitrimers賦予天然多孔生物質基儲能材料多功能特性

近日,陜西科技大學“生物質化學與材料院士創新團隊”熊傳銀副教授及其研究小組報道瞭一種負載NiS/Ni的天然木材基復合材料(CLFW@Ni-NiS)同類玻璃高分子(Vitrimers)結合,利用Vitrimers兼具傳統熱塑性和熱固性聚合物的雙重特性,賦予瞭新型生物質炭基儲能材料高強度、可塑形、自修復和形狀記憶等特性,同時實驗證明Vitrimers的引入能一定程度上改善瞭材料的電化學循環性能。論文的設計思路新穎,極大地拓寬瞭生物質材料的應用范圍,也為不同學科的交叉融合發展提供瞭新的探索性嘗試。

神奇添加劑 

Vitrimers是目前一種新興的材料,以往的酯交換反應一般需要催化劑,而本文中的Vitrimers僅僅需要加熱就可制備,利用酯交換反應在舊鍵斷裂的時形成新鍵,結合瞭熱塑性材料與熱固性材料的優點,並且不破壞材料整體的交聯密度。

“一箭多雕”:Vitrimers賦予天然多孔生物質基儲能材料多功能特性
Vitrimers的合成路線及作用機制示意圖

Vitrimers助力天然多孔木材基復合材料

木材先天的多孔結構及負載其中的花狀NiS納米纖維間交織形成的後天孔結構,為電子提供瞭大量的儲存空間和快速傳輸渠道,有利於獲得高的能量和功率密度。然而,碳化的木材基復合材料往往易脆和掉粉,嚴重影響其電化學循環穩定性和使用壽命,極大地限制瞭其應用范圍。Virimers作為添加劑,其網狀交聯結構能夠有效阻止電極材料(尤其粉體)在儲能過程中顆粒的脫落,從而大幅改善碳化的木材基復合電極材料的循環穩定性和使用壽命。

“一箭多雕”:Vitrimers賦予天然多孔生物質基儲能材料多功能特性
Vitrimers-木材基復合材料的電化學性能

Vitrimers-木材基復合材料由於木材的天然多孔道結構和金屬納米粒子的引入,賦予瞭該復合材料良好的ORR和傳感特性。

“一箭多雕”:Vitrimers賦予天然多孔生物質基儲能材料多功能特性
Vitrimers-木材基復合材料的ORR和傳感性能

Vitrimers的加入使得木材基復合多功能材料具有良好的可塑形、形狀記憶和自修復特性,這一現象主要是由於羥基與氨基在斷裂處發生快速而有效的酯交換反應,可以使裂縫之間迅速形成共價鍵,從而達到可塑形、形狀記憶和自修復的效果。


“一箭多雕”:Vitrimers賦予天然多孔生物質基儲能材料多功能特性
(Video-S1,2, A, B) 不同厚度Vitrimers-木材基復合材料的可塑形和形狀記憶特性。(C) 自修復特性

該研究的最大意義在於巧妙的利用生物質材料的先天多孔性和制備的花狀結構的NiS納米纖維所形成的後天孔及NiS的高贗電容特性和Ni納米粒子良好的ORR特性,通過這些組份的協同作用獲得瞭具有優異的儲能、催化和傳感特性的木材基復合材料。進一步,通過引入類玻璃高分子Vitrimers賦予多功能木材基復合材料良好的可塑形、形狀記憶和自修復特性。該工作對於生物質基多功能材料的開發和應用有著重要的啟示作用和參考價值。

原文鏈接:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ta/d0ta03664a

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