大赞!首次制造出多孔结构均匀的碳纤维!

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弗吉尼亚理工大学科学学院一名教授希望利用储存在飞机外壳内的能量为飞机和汽车提供动力。他已经发现了一种方法,利用由嵌段共聚物制成的多孔碳纤维来实现这一设想。碳纤维是一种高性能的工程材料,广泛应用于航空航天和汽车工业。其中一个应用是豪华车的外壳,比如梅赛德斯-奔驰(Mercedes-Benz)、宝马(BMW)或兰博基尼(Lamborghini)。碳纤维是一种细如发丝的碳纤维,具有多种主要的材料性能:它们具有机械强度高、耐化学腐蚀、导电、阻燃等性能,或许最重要的是,它们重量轻。碳纤维的重量提高了燃料和能源效率,生产更快的飞机和车辆。化学系助理教授刘国梁(Greg Liu)提出了这样一个想法:

为结构和功能设计材料

博科园-科学科普:创造出不仅在结构上有用的碳纤维,它们在功能上也很有用。如果能把它们设计成具有储能等功能呢?如果想让它们储存能量,需要有放置离子的位置。理想情况下,碳纤维可以设计成微孔均匀分布在各处,就像海绵一样,可以储存能量离子。对传统的化学制备碳纤维的方法进行了改进,现在首次开发出了一种尺寸和间距均相同的多孔碳纤维的合成方法。其研究成果发表在《科学进展》上的一篇高影响力论文中详细阐述了这项研究工作。制造多孔碳纤维并不容易,人们已经尝试了几十年,但碳纤维中气孔的质量和均匀性均不理想。在实验室里设计、合成、加工这些聚合物,然后把它们制成多孔碳纤维。

用嵌段共聚物制备多孔碳纤维

使用了一种多步骤的化学过程,使用了两种聚合物(长而重复的分子链)称为聚丙烯腈(PAN)和聚(丙烯腈块-甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)。PAN作为碳纤维的前体化合物,在高分子化学领域非常有名,而PMMA作为一种持位材料,随后被去除,形成孔隙。但在过去,其他化学家通常将PAN和PMMA分别混合到溶液中。这就产生了多孔碳纤维,但孔径和间距不同。表面积越大,储能越好。表面积越大,孔隙越小,孔隙越均匀。聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)结合的新想法,创造了所谓的嵌段共聚物。化合物聚合物的一半是PAN,另一半是PMMA,它们在中间成共价键。这是第一次用嵌段共聚物来制造碳纤维,也是第一次用嵌段共聚物制成的多孔碳纤维来储能。

(图示)传统的(A, B)和新的(C)方法从各种聚合物前体合成碳纤维。(一)纯锅实际上电纺纤维垫,在280°C在空气中氧化交联锅(蓝色),然后在800°C正交N2生成碳纤维(灰色)。单个聚合物纤维(紫色)被放大以作说明。(B) PAN与牺牲的PMMA(红色)混合形成聚合物共混物。聚合物共混物经氧化后,宏观相分离,形成非均匀畴。热解后去除PMMA,气孔不均匀。(C) PAN-b-PMMA嵌段共聚物微相经氧化自组装后在PAN(蓝色)基体中分离成均匀的PMMA纳米结构域(红色)。裂解后的多孔炭纤维孔隙控制良好,分布均匀。图片:弗吉尼亚理工大学

通常只是从过程的角度来思考,但在这里,是从材料设计的角度来思考。在实验室合成嵌段共聚物后,黏性溶液经过三个化学过程得到多孔碳纤维。第一步是电纺丝,这是一种利用电力来制造纤维束并使溶液硬化成纸状材料的方法。接下来,刘将聚合物进行氧化加热。在这一步中,PAN和PMMA自然分离并自组装成PAN链和均匀分散的PMMA域。最后一步,也就是热解,刘将聚合物加热到更高的温度。这个过程将PAN固化成碳,去除PMMA,在纤维中留下相互连接的中孔和微孔。

能量储存的新可能性

虽然这一突破改善了已经高性能的工程材料,但也许更大的突破是能够使用嵌段共聚物来创建统一的多孔结构,从而实现能量存储的可能性。这开启了我们设计储能材料的思路,现在也可以开始考虑功能了,不仅使用(碳纤维)作为结构材料,而且使用(碳纤维)作为功能材料。刘国梁(Greg Liu)2014年加入弗吉尼亚理工大学(Virginia Tech)以来一直在考虑这个想法,但在2016年通过空军青年研究员项目(Air Force Young调查员Program, YIP)提交了一份获奖方案后,他开始正式研究这个想法。

由(左)PAN、(中)PAN/PMMA和(右)PAN-b-PMMA制成的碳纤维的扫描电镜图像。实验室使用PAN-b-PMMA来制造具有更均匀尺寸和间距孔隙的碳纤维。