中科院苏州纳米所张学同研究员等Adv. Funct. Mater.：新型溶胶-凝胶离心纺气凝胶纤维策略助力挥发性有机化合物高效去除
气凝胶作为世界上密度最小的固体，内部充满了极其微小的孔洞，使其具有极高比表面积，在气体吸附领域，如挥发性有机化合物（VOCs）的吸附方面，具有广泛应用前景。尤其是气凝胶纤维聚集体，其中的大孔能够作为 VOCs 扩散通道，而气凝胶纤维内介孔则可作为活性位点来吸附 VOCs，并通过毛细冷凝将其固定。目前，关于气凝胶纤维的研究已然取得了巨大的进步，发展出了诸如反应纺丝、液晶纺丝、冷冻纺丝、气流纺丝、微流控纺丝等技术，然而气凝胶纤维的快速、规模化制备依旧是一项极为重大的挑战。
针对这一挑战，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张学同研究员与其合作者创造性的提出溶胶-凝胶离心纺丝（SCS）策略，借助离心力其纺丝速率可高达 700 m·min-1，SCS 策略还具有通用性，可制备芳纶气凝胶纤维、海藻酸钠气凝胶纤维、纤维素气凝胶纤维以及壳聚糖气凝胶纤维等。所制备的芳纶气凝胶纤维聚集体在高速气流下，VOCs 吸附量高达438.0 mg·g-1的，是相同条件下活性炭的2倍。相关工作以“Aerogel Fibers Made via Generic Sol-Gel Centrifugal Spinning Strategy Enable Dynamic Removal of Volatile Organic Compounds From High-Flux Gas”为题发表在最新一期《Advanced Functional Materials》上。
自行设计、搭建的SCS装置如图1（a）所示，由一个定制的圆柱形喷丝口和旋转凝固浴组成，喷丝口转速为200 r/min至3000 r/min可调节，旋转凝固浴用于进行溶胶-凝胶转变和凝胶纤维收集。收集的凝胶纤维再经溶剂置换和冷冻干燥，得到SCS气凝胶纤维。进一步将气凝胶纤维聚集体用于VOCs吸附，监测进气和出气VOCs浓度、气体压力，获得气流量和VOCs吸附量，并评估该气凝胶纤维聚集体吸-脱附循环稳定性。
图1 . （a）SCS策略制备气凝胶纤维示意图；（b）利用气凝胶纤维聚集体进行VOCs吸附示意图。
以芳纶纳米纤维（ANF）分散液作为典型纺丝液，对其流变学行为进行深入研究，以理解SCS 策略制备气凝胶纤维过程和机制。喷丝口高转速产生的高牵伸比，使得ANF无法形成连续长纤，本研究巧妙的利用水对ANF的流变性能进行调控，ANF-3%H2O、ANF-6%H2O 和 ANF-12%H2O能在高牵伸比下获得连续长纤。此外，通过对纺丝过程中作用力进行分析，得出纺丝速率与转子半径、角速度平方成正比，与纺丝液粘度成反比。理论计算和实验结果都表明其纺丝速率可高达 700 m·min-1，远超多数气凝胶纺丝方法。
图2 ANF纺丝液的流变性能及纺丝速率
利用SCS策略，成功实现了芳纶凝胶纤维的快速制备，凝胶纤维表面光滑且纤维直径可通过纺丝液的流变性能和转速来调节。随后，通过溶剂置换和冷冻干燥获得SCS气凝胶纤维。与湿纺气凝胶纤维相比，SCS气凝胶纤维直径更细，其内部同样由ANF相互连接形成三维多孔网络。在性能方面，SCS气凝胶纤维具有大比表面积和高孔隙率，对VOCs 吸附十分有利。此外，其拉伸强度可达12.48 MPa，远超多数气凝胶纤维，这要归功于高牵伸比，使ANF沿气凝胶纤维方向排列，赋予其强韧的机械性能。
图3 SCS策略制备的芳纶气凝纤维性能
研究人员进一步利用该SCS策略成功制备了海藻酸钠（SA）气凝胶纤维、纤维素气凝胶纤维和壳聚糖气凝胶纤维。由于不同纺丝液的流变性能存在差异，适用的纺丝速率不同，最终得到的气凝胶纤维的直径也不同，如 SA 气凝胶纤维直径为 20 μm至40 μm，纤维素气凝胶纤维直径为20 μm至40 μm，而壳聚糖气凝胶纤维的直径为100μm左右。这些气凝胶纤维的氮气吸-脱附曲线均呈 IV 型滞后环，说明具有较高的比表面积，如纤维素气凝胶纤维的比表面积为201.51 ± 2.16 m2·g-1。
图4 SCS策略的通用性
众所周知，VOCs 对环境和人类健康危害巨大，去除 VOCs 至关重要。在此背景下，利用SCS气凝胶纤维聚集体填充吸附床以高效去除 VOCs，实验表明，该吸附系统在高速气流下，乙醇吸附量高达438.0 mg·g-1的，远超其他常见吸附材料。此外，SCS 气凝胶纤维具有良好的吸-脱附循环稳定性，吸附量在5次吸-脱附循环后仅下降12.73%。该气凝胶纤维不仅对单一VOC具有良好吸附效果，对复杂 VOCs的吸附性能也十分出色。
图5 SCS气凝胶纤维VOCs吸附性能
总结：作者构建了一种通用的气凝胶纤维快速制备方法，即溶胶-凝胶离心纺丝策略，并将所获得的气凝胶纤维聚集体应用于高速气流下VOCs吸附。此项工作不仅为气凝胶纤维的快速制备提供了一种通用策略，而且为气凝胶纤维在VOCs 吸附以及其他环保领域的应用提供了思考方向和启迪。
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