??2019年5月30日，南京林業(yè)大學(xué)蔣少華教授課題組，德國拜羅伊特大學(xué)Andreas Greiner教授課題組和浙江大學(xué)徐志康教授課題組合作在《Research》雜志上發(fā)表了題為“Virtually Wall-Less Tubular Sponges as Compartmentalized Reaction Containers”的文章。該工作基于靜電紡絲技術(shù)，制備了一種具有高孔隙率的無壁空心海綿。這種管狀海綿經(jīng)化學(xué)氣相沉積聚對二甲苯后獲得超疏水表面，可作為有效去除二氧化碳和控制碳酸鈣礦化的反應(yīng)容器。論文第一作者為蔣少華教授，通訊作者為Andreas Greiner教授。

研究背景

細(xì)胞狀的纖維多孔材料在自然界中是無處不在的。具有相互連接的多孔結(jié)構(gòu)海綿是其中的一個典型代表。最近，靜電紡絲制備超輕海綿引起了人們廣泛的關(guān)注。許多研究者通過冷凍干燥自組裝的靜電紡絲聚合物短纖維制備超輕海綿，并通過物理化學(xué)改性賦予人造海綿各種獨(dú)特的性能。比如，將聚對二甲苯化學(xué)氣相沉積在海綿上便可使其獲得超疏水表面，同時(shí)還可以改善其機(jī)械強(qiáng)度、溶劑穩(wěn)定性和絕緣性能。這些改性手段拓寬了超輕海綿的應(yīng)用領(lǐng)域，如藥物釋放、組織工程、油水分離、高溫防護(hù)等。

具有高滲透性的反應(yīng)器在自然界中扮演著重要角色，例如肺、血管、氣體交換膜等。這里，作者設(shè)計(jì)了一種聚對二甲苯包覆的管狀海綿，具有低密度、高孔隙率（＞99.5 %）、超疏水、無壁開孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。盡管具有很高的開孔性和孔隙率，但是這種海綿依然可以保持水溶液不滲漏。因此，它可以允許外部大氣和水溶液內(nèi)部進(jìn)行氣體自由交換（圖1）。為了探究這種新型無壁空心海綿用于氣體交換的多功能性，作者定性和定量地研究了海綿作為反應(yīng)容器在去除氣態(tài)CO2和控制碳酸鈣礦化上的效能。

圖1. 管狀多孔海綿示意圖。

研究進(jìn)展

該工作通過靜電紡絲技術(shù)，UV光交聯(lián)，特定模具冷凍干燥成型以及化學(xué)氣相沉積聚法成功得到具有管狀結(jié)構(gòu)的超輕多孔海綿，制備流程如圖2所示。

圖2. 電紡纖維空心海綿的制備流程圖。

通過在海綿內(nèi)側(cè)上的染色水滴的放置及水的盛放證明了其超疏水性質(zhì)（圖3a-3c）。同時(shí)通過紅外熱成像技術(shù)證明，在大氣壓下，冷水和熱水都不能滲透海綿內(nèi)壁（圖3d和3e）。

圖3. 空心海綿的超疏水性能。

接下來作者研究了液態(tài)水在通過管狀海綿管壁時(shí)的蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)，并與標(biāo)準(zhǔn)玻璃管進(jìn)行了對比。結(jié)果證明了海綿的多孔結(jié)構(gòu)為其內(nèi)部和外部大氣之間的氣體交換提供了特殊的通道，因而具有更佳的氣液交換能力（圖4），從而為該管狀海綿作為無壁反應(yīng)器的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

圖4. 20℃的液態(tài)水在不同內(nèi)徑的空心海綿和玻璃管內(nèi)的水蒸發(fā)能力。

進(jìn)一步研究證明在裝有相同濃度的二乙醇胺溶液下，作為反應(yīng)容器的管狀海綿（SG）表現(xiàn)出比玻璃管（GT）對二氧化碳更快的吸附速率。以5wt%二乙醇胺溶液為例，SG-5僅需要30min，而GT-5需要150min以上才能達(dá)到反應(yīng)平衡，且在SG中的反應(yīng)速率是GT的4倍。這表明SG對二氧化碳的吸附效率要比GT高得多（圖5）。

圖5. 裝有不同濃度的二乙醇胺溶液的空心海綿和玻璃管反應(yīng)器對CO2的吸附能力。

為了驗(yàn)證管狀海綿作為界面介導(dǎo)的氣體擴(kuò)散反應(yīng)容器的高度通用性，作者通過廣泛使用的碳酸銨擴(kuò)散技術(shù)在海綿的內(nèi)柱中沉積碳酸鈣。待反應(yīng)完全后，發(fā)現(xiàn)大量的碳酸鈣晶體沉淀幾乎都被抑制在反應(yīng)器內(nèi)壁的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中（圖6）。

圖6. 裝有管狀海綿反應(yīng)器的受控礦化。

結(jié)論與展望

該工作利用靜電紡絲和冷凍干燥技術(shù)成功制備了可用于二氧化碳高效吸附和通過碳酸銨分解沉淀碳酸鈣的管狀多孔海綿反應(yīng)器。對管狀海綿纖維狀聚合物網(wǎng)絡(luò)的孔隙率和表面化學(xué)性質(zhì)的調(diào)控可以控制二氧化碳的吸附效率和碳酸鈣的沉積速率。這種新型海綿也可用于許多其他技術(shù)領(lǐng)域，例如作為加濕器或血液濃縮劑等。

參考文獻(xiàn)：Jiang, S., Gruen, V., Rosenfeldt, S., Schenk, A. S.,Agarwal, S., Xu, Z. K., & Greiner, A. (2019). Virtually Wall-Less TubularSponges as Compartmentalized Reaction Containers. Research, 2019, 4152536.

全文鏈接：https://spj.sciencemag.org/research/2019/4152536/

《Research》簡介

《Research》是中國科協(xié)和美國科學(xué)促進(jìn)會聯(lián)手打造的全新綜合性高水平國際化英文科技期刊，是《Science》自1880年創(chuàng)建以來第一本合作期刊。希望通過《Science》的高影響力國際化傳播平臺和豐富的國際化高端學(xué)術(shù)資源，快速提高期刊的國際知名度和影響力，力爭在短期內(nèi)辦成一本具有國際一流學(xué)術(shù)水平的國際著名綜合性科技期刊?？莾?nèi)容主要集中在：人工智能與信息科學(xué)/生物學(xué)與生命科學(xué)/能源研究/環(huán)境科學(xué)/新興材料研究/機(jī)械/科學(xué)與工程/微納米科學(xué)/機(jī)器人與先進(jìn)制造領(lǐng)域。自2018年8月22日起，《Research》創(chuàng)刊號文章開始陸續(xù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)OA出版，創(chuàng)刊號發(fā)表了包括劍橋大學(xué)、加州大學(xué)等高校的9篇文章，第一篇網(wǎng)絡(luò)出版的文章是陳軍院士此次關(guān)于“可呼吸”鈉-二氧化碳電池的研究成果。