基于电纺纤维的管状多孔海绵在无壁反应器上的应用

2019年5月30日，南京林业大学蒋少华教授课题组，德国拜罗伊特大学Andreas Greiner教授课题组和浙江大学徐志康教授课题组合作在《Research》杂志上发表了题为“Virtually Wall-Less Tubular Sponges as Compartmentalized Reaction Containers”的文章。该工作基于静电纺丝技术，制备了一种具有高孔隙率的无壁空心海绵。这种管状海绵经化学气相沉积聚对二甲苯后获得超疏水表面，可作为有效去除二氧化碳和控制碳酸钙矿化的反应容器。论文第一作者为蒋少华教授，通讯作者为Andreas Greiner教授。

研究背景

细胞状的纤维多孔材料在自然界中是无处不在的。具有相互连接的多孔结构海绵是其中的一个典型代表。最近，静电纺丝制备超轻海绵引起了人们广泛的关注。许多研究者通过冷冻干燥自组装的静电纺丝聚合物短纤维制备超轻海绵，并通过物理化学改性赋予人造海绵各种独特的性能。比如，将聚对二甲苯化学气相沉积在海绵上便可使其获得超疏水表面，同时还可以改善其机械强度、溶剂稳定性和绝缘性能。这些改性手段拓宽了超轻海绵的应用领域，如药物释放、组织工程、油水分离、高温防护等。

具有高渗透性的反应器在自然界中扮演着重要角色，例如肺、血管、气体交换膜等。这里，作者设计了一种聚对二甲苯包覆的管状海绵，具有低密度、高孔隙率（＞99.5 %）、超疏水、无壁开孔网络结构等特点。尽管具有很高的开孔性和孔隙率，但是这种海绵依然可以保持水溶液不渗漏。因此，它可以允许外部大气和水溶液内部进行气体自由交换（图1）。为了探究这种新型无壁空心海绵用于气体交换的多功能性，作者定性和定量地研究了海绵作为反应容器在去除气态CO2和控制碳酸钙矿化上的效能。

图1. 管状多孔海绵示意图。

研究进展

该工作通过静电纺丝技术，UV光交联，特定模具冷冻干燥成型以及化学气相沉积聚法成功得到具有管状结构的超轻多孔海绵，制备流程如图2所示。

图2. 电纺纤维空心海绵的制备流程图。

通过在海绵内侧上的染色水滴的放置及水的盛放证明了其超疏水性质（图3a-3c）。同时通过红外热成像技术证明，在大气压下，冷水和热水都不能渗透海绵内壁（图3d和3e）。

图3. 空心海绵的超疏水性能。

接下来作者研究了液态水在通过管状海绵管壁时的蒸发实验，并与标准玻璃管进行了对比。结果证明了海绵的多孔结构为其内部和外部大气之间的气体交换提供了特殊的通道，因而具有更佳的气液交换能力（图4），从而为该管状海绵作为无壁反应器的应用提供了基础。

图4. 20℃的液态水在不同内径的空心海绵和玻璃管内的水蒸发能力。

进一步研究证明在装有相同浓度的二乙醇胺溶液下，作为反应容器的管状海绵（SG）表现出比玻璃管（GT）对二氧化碳更快的吸附速率。以5wt%二乙醇胺溶液为例，SG-5仅需要30min，而GT-5需要150min以上才能达到反应平衡，且在SG中的反应速率是GT的4倍。这表明SG对二氧化碳的吸附效率要比GT高得多（图5）。

图5. 装有不同浓度的二乙醇胺溶液的空心海绵和玻璃管反应器对CO2的吸附能力。

为了验证管状海绵作为界面介导的气体扩散反应容器的高度通用性，作者通过广泛使用的碳酸铵扩散技术在海绵的内柱中沉积碳酸钙。待反应完全后，发现大量的碳酸钙晶体沉淀几乎都被抑制在反应器内壁的多孔网络结构中（图6）。

图6. 装有管状海绵反应器的受控矿化。

结论与展望

该工作利用静电纺丝和冷冻干燥技术成功制备了可用于二氧化碳高效吸附和通过碳酸铵分解沉淀碳酸钙的管状多孔海绵反应器。对管状海绵纤维状聚合物网络的孔隙率和表面化学性质的调控可以控制二氧化碳的吸附效率和碳酸钙的沉积速率。这种新型海绵也可用于许多其他技术领域，例如作为加湿器或血液浓缩剂等。

参考文献：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.

全文链接：https://spj.sciencemag.org/research/2019/4152536/

《Research》简介

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