一种制备密度和孔结构可控的超轻型Ag纳米线气凝胶的新方法

近年来,金属纳米线技术的进步使得科学家们开发出在新的方法,在温和条件下制备出超轻金属泡沫,同时其密度可定制,金属材料也可选择。以Cu纳米线的悬浮水溶液为例,可以通过冷冻干燥或者临界点干燥技术来制备出超轻多孔Cu气凝胶

近日,美国加州劳伦兹利弗莫尔国家实验室的研究人员发表了一项研究成果,介绍了一种制备密度和孔结构可控的超轻型Ag纳米线气凝胶的新方法,利用这种方法首次制备出了密度低至4.8mg/cm3的高性能Ag泡沫。相关研究成果于上周在线发表在Nano Letter期刊上。(“Ultralight Conductive Silver Nanowire Aerogels”)。

一种制备密度和孔结构可控的超轻型Ag纳米线气凝胶的新方法

此前,劳伦兹利弗莫尔国家实验室就在超轻型材料领域多有建树。此次,研究人员通过改进的多元醇合成法制备了纳米银线原型,然后通过选择性沉淀进行纯化。

具体如下:配置约100ml含有0.05mM NaCl、0.189M PVP、约0.0014mM AgNO3和0.017mM CuCl2的乙二醇溶液,加入到圆底烧瓶中预热到185℃,油浴1小时;随后,在剧烈搅拌下逐滴加入30mL新鲜制备的AgNO3乙二醇溶液(0.12M);反应完成后,将烧瓶从油浴中取出并冷却至室温,就得到了银纳米线和少量的银纳米颗粒。

一种制备密度和孔结构可控的超轻型Ag纳米线气凝胶的新方法

由于银纳米颗粒对金属气凝胶有负面影响,研究人员通过选择性沉淀法将银纳米线提纯。

具体方法就是用水洗涤银纳米线溶液,然后在洗涤液中加入丙酮,由于银纳米线和银纳米颗粒密度不同,银纳米颗粒主要悬浮在液体中,银那纳米线则沉淀下来,弃去上清液,将沉淀重新分散在水中即可实现纳米线的富集和纯化。

一种制备密度和孔结构可控的超轻型Ag纳米线气凝胶的新方法

制备得到的银纳米线可用作制备导电银气凝胶的组件。研究人员通过将已知浓度的银纳米线悬浮液在玻璃小瓶中形成涡旋,然后立即放置在预先用液氮冷却过的金属块上;由于存在垂直的温度梯度,冰晶从底部成核并逐渐长大,随着冰晶的增多,银纳米线被定向排列的冰层重新分配;将冷冻的银纳米线悬浮液冷冻干燥,并进行热处理去除PVP,就得到了高度多孔的银纳米线气凝胶。

由于这种独特的制备方法,银气凝胶具有独特的分层多孔结构,通过调节银纳米线悬浮液的浓度,研究人员可以对气凝胶的密度进行控制,最低可至4.8mg/cm3。此外,通过特殊设计的模具,还可以制备出其他形状的气凝胶,如圆盘、球体和半球等。

一种制备密度和孔结构可控的超轻型Ag纳米线气凝胶的新方法

研究人员对这种银纳米线气凝胶进行了性能测试,发现其电导率则可达51000s/m。对其进行机械性能测试,结果表明这种银纳米线气凝胶表现出了“弹性加强”行为,杨氏模量高达16800Pa。

“有趣的是,实验结果表明我们制备的这种Ag纳米线气凝胶的变形机制与常规制备的金属泡沫不同,其是弯曲导致的变形,这就意味着其比其他泡沫或者气凝胶有着更高的结构强度,这也是它的另一个隐藏的优点。”研究人员表示:“至于其性能这么好的原因,这还有待进一步建模来揭示。”

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