纤维素基电极材料在柔性超级电容器中 的应用研究进展

纤维素是自然界中一种轻质、生物相容性好以及柔韧性强的生物高分子材料,在柔性超级电容器、生物传感器以及电磁屏蔽等领域得到了广泛应用。在柔性超级电容器领域中,纤维素基材料的多羟基结构是电解质离子传导的良好介质,有助于提高电极材料的电容特性以及循环特性,并且易与导电活性材料(如:石墨烯、碳纳米管、导电高分子)通过涂布、共混、层层自组装以及原位聚合等方法构建导电框架以制备柔性电极材料。综述了基于纤维素材料的柔性超级电容器电极开发的相关研究,重点介绍了基于不同纤维素基原料(原生纤维素、纳米纤维素以及纤维素衍生物)制备柔性超级电容器电极的方法以及所得电极的电化学性质,分析归纳了纤维素基材料在柔性电极中的主要作用:作为骨架支撑柔性电极材料、充当柔性基底(可兼有隔膜作用)、形成多孔结构传输电解质离子。最后,对纤维素材料在柔性电极材料领域的发展趋势进行了展望。     

电纺纳米纤维基柔性压力传感器的制备及性能研究

以醋酸纤维素(CA)为原料,利用静电纺丝技术制备醋酸纤维素纳米纤维(CANFs),脱乙酰化后得到纤维素纳米纤维(CNFs),再通过原位聚合吡咯构建复合导电纳米纤维(CNFs-PPy),结合纸电极组装柔性压力传感器。通过红外光谱、X射线衍射、扫描电镜对材料进行表征,联用万能材料试验机和电化学工作站研究传感器机电性能,结果表明：聚吡咯成功复合在纤维素纳米纤维表面,复合导电纳米纤维氮元素质量分数为24.8%;传感器在1～15 kPa压强载荷下的电流-电压曲线均保持良好的线性关系,相对电流变化率随压强增加而升高;传感器在低压强(0～0.99 kPa)范围内灵敏度高达1.77 kPa^-1,在中压强(1.00～8.33 kPa)和高压强(8.53～15 kPa)范围内灵敏度分别为0.43和0.22 kPa^-1;传感器具有优异的信号可靠性和稳定性,循环加载3 000次器件的传感信号仍保持稳定;该传感器可以实现对手指触碰等外界压力变化的实时监测,为绿色柔性电子的发展提供了新思路。     

纳米纤维素的制备及应用研究进展

纳米纤维素作为纤维素基纳米材料的代表,不但保留了天然纤维素的性质,同时赋予纳米粒子以高强度、高结晶性、高比表面积、高抗张强度等特性,能够明显改善材料的光、电、磁等性能,在复合材料、精细化工、医药载体、药物缓释等领域具有广阔的应用前景。进一步对纳米纤维素的结构进行调控,在纳米尺度操控纤维素超分子聚集体,进行结构设计并组装出稳定的功能性纤维素基纳米材料,即可以纤维素为原料构建具有优异性能的生物质材料,这也正是目前生物质材料和纤维素科学领域的研究热点。概括了目前纳米纤维素的主要制备方法:机械法、化学法和生物法,并对各种制备方法的优缺点进行了讨论,同时综述了纳米纤维素的应用状况,指出了纳米纤维素的制备及应用方面需要解决的主要问题及今后的发展方向。     

具有纳米结构的木材气凝胶基电极的制备及其电化学性能

超级电容器作为清洁可持续的储能设备,其电化学性能主要由电极材料决定,因此电极材料逐渐成为当前储能领域的研究热点。木材因其天然的多尺度微/纳米孔隙结构以及可再生、可生物降解等特点,逐渐被用于电极材料的研究。以巴沙木为基材,首先采用脱木素联合TEMPO氧化法将木材细胞壁分离具有纳米网络结构的木材气凝胶(TDW),然后将纳米纤维素分散的碳纳米管(CNT)悬浮液通过满细胞法浸渍到木材气凝胶中,冷冻干燥后在导管孔和细胞间隙中形成了连续的碳纳米管导电网络结构,最后进行聚吡咯(PPy)原位聚合,在细胞壁和导管孔中构建成具有纳米导电网络结构的TDW/CNT/PPy复合电极。电化学性能测试显示,由于在TDW的宏观孔隙中导电网络的构建,TDW/CNT/PPy的电化学性能明显优于TDW/PPy电极,而且随着碳纳米管比例的增加而增强,其中,TDW/CNT-2/PPy在1.0 mA/cm²扫描速率下的比电容达到389 F/g、面电容为10.5 F/cm²,而且在10 mA/cm²扫描速率下经过10 000次循环后的电容保持率为95.1%。本研究通...     

纳米纤维素基导电材料及其在电子器件领域的研究进展

为了应对全球日益严重的环境污染和资源短缺,近年来,可再生、环境友好的生物质材料受到越来越多的关注。纤维素是地球上产量最大的生物质,在自然界中分布广泛且含量丰富,具有资源优势的同时还具有可生物降解、无毒等优点。纳米纤维素是一种可通过物理、化学或生物方法从原纤维中分离出的直径为纳米级的纤维素材料,其优异的力学、光学和热稳定性使其在电子器件领域具有广阔的应用前景。纳米纤维素结构的基本属性对其在新兴应用设计和产品制造上至关重要。因此,笔者在介绍纳米纤维素不同维度结构的基础上,对纳米纤维素基导电材料制备过程中的改性和炭化处理研究进展,以及其在电子、储能器件领域所取得的应用研究进展进行了综合评述,并对其在应用过程中存在的问题进行了分析。最后,就纳米纤维素基导电材料未来应用研究的重点和方向阐述了自己的观点,认为应该在降低纳米纤维素材料的制备成本以提高纳米纤维素的生产效率,以及开发既能方便储存运输又不会导致纳米纤维素聚集的新方法等方面加强投入。     

木基储能材料研究新进展

木材作为一种可再生的天然高分子材料,其特有的结构和理化性质,使木材及其衍生材料在清洁能源、柔性传感和催化工程等领域的应用研究层出不穷,引起了科研工作者广泛关注。除了资源丰富、绿色环保和可生物降解等特点,木材还具备一些独特的优势,如各向异性的分层多孔结构、良好的机械灵活性和可调谐的多功能性等,近年来在电化学能源存储领域表现出令人憧憬的应用前景。笔者从实体木材、木质纤维和木质纳米纤维这3种不同维度的木基材料出发,分别总结了其在储能领域最新研究进展,探讨了这些材料的结构特性与电化学性能间的关联响应机制。基于不同树种实体木材的结构差异,比较分析了直接炭化、炭化后再活化改性的实体木材储能材料性能特征及对电化学储能的影响规律,进一步讨论了实体木材一体化储能器件的思路与创新。在木质纤维储能材料方面,总结分析了以单根纤维及纤维聚集体为起始单元的不同储能材料的结构性能特点,重点探讨了在柔性电极材料方面的应用前景。基于木质纳米纤维天然可控网状结构优势,主要分析了纳米纤维炭气凝胶在储能材料领域的应用特点。最后,展望了木基储能材料所面临的机遇挑战,以及未来需要重点关注的研究方向。     

纤维素导电气凝胶及其复合材料在超级电容器中应用的研究进展

概述了纤维素气凝胶通过炭化和复合导电物质实现导电功能的技术手段,及其在超级电容器中的应用研究现状。重点介绍了纤维素导电气凝胶孔结构及其复合结构对超级电容器电化学性能的影响,包括:依据电解液离子大小调控电极材料的孔结构和孔径分布,优化双电层电容行为;借助石墨烯等高导电性物质提高复合材料的导电性和比表面积,实现复合电极材料性能的增强及其在柔性能源储存装置中的应用;结合纤维素炭气凝胶优良的导电性与结构稳定性以及金属化合物高的赝电容和大的能量密度特性,实现复合电极材料中双电层电容和赝电容的协同增效作用。最后针对纤维素导电气凝胶及其复合材料在制备和超级电容器应用中面临的机遇与挑战,指出未来发展方向。     

LiCl/DMAc溶剂中活化处理对不同类型纤维素静电纺丝效果的影响

纤维素纳米纤维在生物医用产品、增强材料、过滤吸附材料、柔性电极材料和储能器件等领域具有广阔的应用前景。静电纺丝法是目前能直接且连续制备微纳米纤维的主要方法之一,由于纤维素中极强的氢键网络导致的高结晶度,使得直接使用纤维素静电纺丝制备纳米纤维较难。笔者以微晶纤维素、纸浆纤维素为研究对象,通过氯化锂/二甲基乙酰胺(LiCl/DMAc)溶剂体系溶解并进行活化处理,加入不同含量聚丙烯腈(PAN)对纤维素进行静电纺丝制备纤维素纳米纤维,探究纤维素类型、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)活化处理前后、PAN加入量对纤维素溶解性、纺丝液性参数和纺丝效果影响。结果表明:DMF活化处理可有效提升纤维素在LiCl/DMAc溶剂体系中的溶解性,在相同溶解温度下获得更加均匀透明的纤维素溶液。在该溶剂体系下,纺丝液黏度、电导率和表面张力分别高于1 300 mPa·s、2 000μs/cm和34.5 mN/m,可获得连续的电纺纤维素纳米纤维。活化微晶纤维素纳米纤维膜比活化纸浆纤维素纳米纤维膜表面更光滑且纤维直径分布更均匀。活化微晶纤维素与PAN质量比为2∶8时可获得表面光滑无珠状物,纤维均一程度高,直径分布小(185～245 nm)的纤维素纳米纤维膜。     

基于自组装技术的纳米纤维素基功能材料研究进展

层层自组装技术,具有原理简单、易于操作、可调控纳米尺度上组装物质的形貌等优点,在多种制备纳米纤维素基复合功能材料的方法中脱颖而出。基于此原理,以纳米纤维素作为研究对象,按其在复合功能材料中承担的不同角色,详细阐述纳米纤维素基功能复合材料的制备过程、结构特征和功能特性,并提出了层层自组装技术在纳米纤维素基功能复合材料制备中进一步的研究方向。     

离子液体中制备纳米TiO2/纤维素复合纤维及产物的光催化性能

纳米TiO2/纤维素的复合纤维可以用于纺织、材料和催化等领域.在1-丁基-3-甲基咪唑氧盐([ BMIM] Cl)离子液体中,将纳米TiO2粉末与纤维素浆柏共混,采用湿法成型技术制备不同含量的纳米TiO2/纤维素纤维复合纤维.通过力学测试、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)对所得复合纤维的力学性能、形貌和结构等进行表征;以亚甲基蓝为模型物,对其光催化性能进行测试.结果表明,TiO2质量分数对复合纤维的形貌和性能影响显著,随TiO2质量分数由2％增大至16.7％,复合纤维的断裂强度降低,初始模量由0.139 cN/dtex降至0.077 cN/dtex,光催化性能先降低而后增强,其中含TiO216.7％的复合纤维催化性能较强.以[BMIM] Cl离子液体为介质,温法纺丝制备有光催化活性纳米TiO2/纤维素纤维的方法是可行的;综合考虑,含TiO2 2.0％的复合纤维性能较佳.     

柔性薄木/纳米碳材料复合电极的微观结构与电导性能

【目的】基于木材天然的多孔性、亲水性以及优良机械性能,将薄木切片作为柔性的支撑材料和载体材料与2种纳米碳材料有机结合,制备一种新型柔性薄木/纳米碳材料复合电极,并对其微观结构与电导性能进行研究,为木材功能化和高附加值化提供一种新的研究方向。【方法】利用物理切片方式得到完整性和柔韧性良好的薄木切片,再将纳米碳材料氧化还原石墨烯(RGO)、羧基化多壁碳纳米管(CMWCNT)逐层沉积到薄木表面,借助冷场发射扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、四探针电阻率测试仪和电化学工作站等手段研究薄木/纳米碳材料复合电极的微观形貌、化学结构、电导性和电化学性能,重点探索纳米碳材料与薄木切片的附着机制和界面结合机制。【结果】RGO通过非共价π-π堆积在薄木表面形成褶皱状纳米薄膜结构,CMWCNT则呈不规则颗粒状形貌;横切面薄木/纳米碳材料复合电极呈多孔结构,而径、弦切面则为沟壑状结构。薄木沉积纳米碳材料前后表面化学元素无变化,依然为C(284 e V)、O(532 e V)峰,但C/O比例从1.84增加到5.51(RGO)和3.65(CMWCNT)。随着纳米碳材料沉积次数增加,薄木/RGO和薄木/CMWCNT复合电极的附着量和导电率均随之增大,而且在同一沉积次数下,前者的附着量和导电率略大于后者;当沉积次数达到19次时,RGO附着量可达0.68 mg·cm-2,相应的导电率为0.63 S·cm-1;CMWCNT附着量略低于RGO,为0.45 mg·cm-2,相应的导电率为0.50 S·cm-1;导电率与附着量具有良好的线性拟合性。2种柔性薄木/纳米碳材料复合电极在不同弯曲程度下电流基本保持平稳,表明弯曲应力对其电导性能影响很小。【结论】2种纳米碳材料在薄木表面逐层沉积形成纳米层,且与薄木有较强的附着力(氢键作用)。经过纳米碳材料沉积后,薄木表面化学元素C/O比例显著提高,附着量和导电率也随纳米碳材料沉积次数增加而增大。2种薄木/纳米碳材料复合电极柔性良好,且具有良好的弯曲电导稳定性,可作为柔性电极材料在柔性储能器件和柔性可穿戴设备等方面发挥潜在的应用价值。     

纤维素自组装纳米粒子的研究进展

针对纤维素自组装纳米粒子(CSANPs)中两亲性纤维素聚合物的骨架结构、疏水侧链和自组装响应类型进行了归纳,并介绍了CSANPs在不同条件下的粒径、形态和结构。CSANPs普遍具有智能响应性能(如温度、pH值等),在智能材料和生物医学领域有重要的应用,尤其在可控药物释放方面。新型的微观结构、尺寸、形态可控的且具有光、磁、热、生物学等性能的可降解CSANPs正成为纤维素材料领域的研究热点。     

纳米纤维素基微纳颗粒过滤材料研究进展

利用木材等生物质资源制备的纳米纤维素,因其独特的纳米结构和性能优势在诸多领域广泛应用。纳米纤维素具有精细的尺寸,且表面含有大量的羟基,其组装制备的材料可以拦截微纳尺寸的颗粒,纳米纤维素间的孔隙有利于水分和其他类型的亲水性液体的快速流动通过。开发纳米纤维素基微纳颗粒过滤材料,不仅有利于环境净化、回收昂贵的微纳颗粒,而且为纳米纤维素基材料的提质增效提供新的研究思路。本文综述纳米纤维素基微纳颗粒过滤材料的开发与应用研究进展。介绍纳米纤维素的类型、制备方法以及结构特征,总结利用纳米纤维素为基本单元来构筑纳米纤维素/电纺纤维复合材料、纤维素纳米纸和纳米纤维素凝胶薄膜的方法,阐述利用不同类型的纳米纤维素基过滤材料分离不同类型微纳颗粒的过滤效果,并对此领域研究面临的问题以及未来重点研究方向进行展望分析。     

纳米纤维素制备技术及产业化现状

近年来,随着人们对于可再生生物质资源转化利用的日益重视,纳米纤维素因其独特的性质而受到广泛关注。纳米纤维素在高性能复合材料、电子产品、催化材料、生物医用材料和能源等领域的潜在应用引起了学术界和工业界的浓厚兴趣。纳米纤维素与有着近100年发展历史的石油化工产品之间的竞争将是大势所趋。林业行业、建筑业、石化行业和制造业之间的密切合作是将绿色纳米纤维素引入大型消费品市场的关键。纳米纤维素的成本和性能非常具有市场竞争力,其两大主要产品为纤维素纳米纤丝(CNF)和纤维素纳米晶体(CNC)。目前,CNF的制备主要是用化学和酶解等方法对纤维素纤维进行预处理,再通过机械解纤法来分离和减小经过预处理的CNF尺寸。CNC则是利用无机酸、有机酸、氧化、酶解、离子液体、低共熔溶剂(DES)或超临界水法对纯化纤维素处理得到的。CNF和CNC未来的市场发展将取决于新型高效溶剂体系的开发(如固体有机酸和DES等),可大量应用纳米纤维素、有效降低总体生产成本的相关产品(如纳米纤维素复合钻井液、纳米纤维素-水泥复合材料和纳米纤维素改性塑料等)的研发,以及纤维素纳米材料的相关国际标准、生理毒性和使用规范的制订,从而帮助相关部门研发和利用纤维素纳米材料。     

新技术新成果集萃

性能优异的纳米空心球空心球纳米材料是重要的纳米结构材料,其制备技术已日趋成熟并逐步实用化,在药物释放、气敏等领域具有很多重要的应用。然而,常规制备空心球纳米材料的技术,如模板法和奥斯瓦尔德熟化生长技术，需要相对复杂的操作工艺，通用性不好，有一定的局限性。中国科学院上海硅酸盐研究所的研究人员用一种简单通用的方法，研制出性能优异的纳米等级的空心球，在纳米功能材料研制方面取得重大突破。     

纤维素纳米晶体对同轴电纺PMMA/PAN复合纳米纤维性能的影响

采用同轴静电纺丝技术,将酸水解获得的纤维素纳米晶体(cellulose nanocrystals,CNCs)添加到聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/二甲基甲酰胺(DMF)溶液中作为壳层电纺液,聚丙烯腈(PAN)/DMF溶液为核层电纺液,成功制备出核-壳结构的纳米复合纤维。探讨了CNCs添加量对电纺液的电导率和黏度的影响及同轴复合纤维的微观形貌、直径分布、结晶特性、热学性能和疏水性能的影响。结果表明:CNCs添加后电纺液的电导率和黏度有明显提高,所制备的同轴纳米纤维具有较好的核-壳结构,其直径随CNCs加载量的增加而减小,且分布更加集中;添加高结晶度的CNCs后,复合纤维的结晶性得到明显提高;在热学性能方面,CNCs增强的同轴纳米材料最大热分解温度为402.7℃,远高于单纺PMMA和单纺PAN纤维以及未添加CNCs的同轴PMMA/PAN纳米材料;添加亲水性CNCs后,水接触角值由130.0°降低至116.7°,复合纤维的疏水性能明显下降。     

电极修饰材料在分子印迹电化学传感器的应用研究进展

在简要介绍分子印迹聚合物(MIP)制备原理,以及分子印迹电化学传感器(MIECS)工作原理的基础上,综述了碳纳米材料、磁性材料和导电聚合材料3种电极修饰材料在MIECS中的应用。碳纳米材料主要涉及石墨烯及其系列衍生物、碳纳米管(CNT);磁性材料在归纳对比了涂覆、磁吸附、电聚合这3种电极修饰方式之外,主要介绍了基于传统电极和基于磁控电极的磁性分子印记聚合物(MMIP)修饰;导电聚合材料的合成方法有化学合成、电化学聚合和微生物辅助聚合,重点叙述了电化学聚合法的特点。最后,对MIECS的发展前景和面临挑战进行了展望。     

纳米纤维素基紫外屏蔽膜材料的研究进展

纳米纤维素是一种高透明度、高机械强度的材料，使用不同的方法如真空过滤法、溶液浇铸法等可将其制备成膜材料。通过对纳米纤维素进行改性或添加紫外屏蔽剂可以提高膜材料的紫外屏蔽性能，实现其在光敏材料覆膜、食品包装、紫外防护等领域的应用价值。首先介绍了紫外屏蔽剂作用机制，重点综述了改性纳米纤维素、纳米纤维素/无机氧化物、纳米纤维素/木质素及其他复合紫外屏蔽膜材料的研究进展，最后总结并展望了纳米纤维素基紫外屏蔽膜材料制备及应用所面临的机遇和挑战。     

预处理纤维素超分子结构变化机制研究进展

木质纤维生物质高值转化生产清洁能源、生物基化学品和功能材料是可再生能源领域的研究热点.纤维素是木质纤维生物质的主要成分,其高效利用是生物炼制的重点.然而,纤维素的生物转化面临分子链有序组装与结晶而成的超分子结构、微纤丝聚集形成的多尺度网络结构及其与木质素、半纤维素的多种化学交联共同形成的木质纤维素抗降解屏障,阻碍了其产...     

纳米改性大豆蛋白基复合材料研究进展

对近几年来纳米改性大豆蛋白在薄膜及胶黏剂领域的研究进展进行了综述。大豆蛋白基材料存在机械强度低、耐水性差、易生霉菌等缺陷,需加以改进利用。从机械增强、抗菌、提高胶合性能及材料的表面纳米构筑4个方面,总结了各种纳米材料对于大豆蛋白本体及表界面特性的影响,揭示了通过纳米材料的复合改性可以大大弥补大豆基复合材料的固有缺陷,为提升材料的产品档次、拓宽材料的应用提供理论与实践基础;并对大豆蛋白纳米复合材料毒性、功能化及界面相容性等研究方向进行了展望。