东华大学Angew：高导电、高弹性TiO2纳米纤维气凝胶

TiO₂作为一种重要的原料，已被广泛应用于与人类生活息息相关的行业，如涂料、防晒霜、食品添加剂等。2019年全球市场规模达166.4亿美元，未来五年的复合增长率预期高达7.6%。然而，这些TiO₂材料在宏观上主要以粉末的形式存在，易通过呼吸系统进入人体，从而引发健康风险。因此，欧盟已于2020年2月18日正式将“mixtures in powder form containing 1% or more of titanium dioxide which is in the form of or incorporated in particles with aerodynamic diameter ≤10 μm”列为二类致癌物。此外，这些纳米材料很难回收利用，一旦释放到环境中，会对自然界的动植物产生生物毒性。因此，开发使用安全系数高、易回收的自支撑TiO₂材料是一项极具挑战性的工作。

近日，东华大学纺织科技创新中心俞建勇院士（点击查看介绍）、丁彬教授（点击查看介绍）、刘一涛教授（点击查看介绍）报道了一种全新的TiO₂本体形式——超轻、高弹TiO₂纳米纤维气凝胶。他们以柔性TiO₂纳米纤维为构筑基元，以少量SiO₂溶胶为化学交联剂，利用冷冻成型的方法，实现了TiO₂纳米纤维的定向组装，制备出具有有序胞腔结构的TiO₂纳米纤维气凝胶。该纳米纤维气凝胶在高达40%的应变下可反复压缩未见明显的塑性形变，表现出优异的动态力学性能。此外，该纳米纤维气凝胶还具有超低的体密度（0.5 mg cm^–3）以及超高的孔隙率（>99%）。进一步通过锂金属还原产生丰富的氧空位，从而有效地调控TiO₂的电子结构，使其电导率高达38.2 mS cm^–1。

图1. TiO₂纳米纤维气凝胶的有序胞腔结构使其具有超低的体密度、超高的孔隙率和优异的弹性

作为一种概念验证，研究人员将该纳米纤维气凝胶作为一种新型的自支撑电催化剂用于环境固氮，表现出优异的电催化活性。此外，该纳米纤维气凝胶在酸性、碱性及中性电解质中均表现出优异的耐久性。密度泛函理论（DFT）计算表明，氧空位的存在可以促进氮气的吸附和活化，从而有助于提高电催化活性。除了在电催化领域的应用外，高导电、超轻、高弹TiO₂纳米纤维气凝胶在储能、光催化、柔性电子器件等领域也具有广阔的应用前景。

图2. 锂金属还原的TiO₂纳米纤维气凝胶具有优异的导电性能和光学性能

相关工作发表在《德国应化》（Angewandte Chemie International Edition）上。论文第一作者为东华大学纺织学院博士生张猛，共同通讯作者为丁彬教授和刘一涛教授。该工作得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、上海市教育委员会、东华大学励志计划等项目的大力资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Conductive and Elastic TiO₂ Nanofibrous Aerogels: A New Concept toward Self‐Supported Electrocatalysts with Superior Activity and Durability

Meng Zhang, Yan Wang, Yuanyuan Zhang, Jun Song, Yang Si, Jianhua Yan, Chunlan Ma, Jianyong Yu, Bin Ding, Yi-Tao Liu

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202010110

导师介绍

俞建勇

https://www.x-mol.com/university/faculty/75552

丁彬

https://www.x-mol.com/university/faculty/75553

刘一涛

https://www.x-mol.com/university/faculty/75554