“一箭多雕”:Vitrimers赋予天然多孔生物质基储能材料多功能特性

近日,陕西科技大学“生物质化学与材料院士创新团队”熊传银副教授及其研究小组报道了一种负载NiS/Ni的天然木材基复合材料(CLFW@Ni-NiS)同类玻璃高分子(Vitrimers)结合,利用Vitrimers兼具传统热塑性和热固性聚合物的双重特性,赋予了新型生物质炭基储能材料高强度、可塑形、自修复和形状记忆等特性,同时实验证明Vitrimers的引入能一定程度上改善了材料的电化学循环性能。论文的设计思路新颖,极大地拓宽了生物质材料的应用范围,也为不同学科的交叉融合发展提供了新的探索性尝试。

 

神奇添加剂 

Vitrimers是目前一种新兴的材料,以往的酯交换反应一般需要催化剂,而本文中的Vitrimers仅仅需要加热就可制备,利用酯交换反应在旧键断裂的时形成新键,结合了热塑性材料与热固性材料的优点,并且不破坏材料整体的交联密度。

“一箭多雕”:Vitrimers赋予天然多孔生物质基储能材料多功能特性
Vitrimers的合成路线及作用机制示意图

 

Vitrimers助力天然多孔木材基复合材料

木材先天的多孔结构及负载其中的花状NiS纳米纤维间交织形成的后天孔结构,为电子提供了大量的储存空间和快速传输渠道,有利于获得高的能量和功率密度。然而,碳化的木材基复合材料往往易脆和掉粉,严重影响其电化学循环稳定性和使用寿命,极大地限制了其应用范围。Virimers作为添加剂,其网状交联结构能够有效阻止电极材料(尤其粉体)在储能过程中颗粒的脱落,从而大幅改善碳化的木材基复合电极材料的循环稳定性和使用寿命。

“一箭多雕”:Vitrimers赋予天然多孔生物质基储能材料多功能特性
Vitrimers-木材基复合材料的电化学性能

Vitrimers-木材基复合材料由于木材的天然多孔道结构和金属纳米粒子的引入,赋予了该复合材料良好的ORR和传感特性。

“一箭多雕”:Vitrimers赋予天然多孔生物质基储能材料多功能特性
Vitrimers-木材基复合材料的ORR和传感性能

Vitrimers的加入使得木材基复合多功能材料具有良好的可塑形、形状记忆和自修复特性,这一现象主要是由于羟基与氨基在断裂处发生快速而有效的酯交换反应,可以使裂缝之间迅速形成共价键,从而达到可塑形、形状记忆和自修复的效果。

“一箭多雕”:Vitrimers赋予天然多孔生物质基储能材料多功能特性
(Video-S1,2, A, B) 不同厚度Vitrimers-木材基复合材料的可塑形和形状记忆特性。(C) 自修复特性

 

该研究的最大意义在于巧妙的利用生物质材料的先天多孔性和制备的花状结构的NiS纳米纤维所形成的后天孔及NiS的高赝电容特性和Ni纳米粒子良好的ORR特性,通过这些组份的协同作用获得了具有优异的储能、催化和传感特性的木材基复合材料。进一步,通过引入类玻璃高分子Vitrimers赋予多功能木材基复合材料良好的可塑形、形状记忆和自修复特性。该工作对于生物质基多功能材料的开发和应用有着重要的启示作用和参考价值。

原文链接:

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

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