无机亚纳米线有机凝胶锁定易挥发有机分子

李景虹

doi:10.7536/PC220704

化学进展 ›› 2022, Vol. 34 ›› Issue (8) :1643-1644 DOI: 10.7536/PC220704

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无机亚纳米线有机凝胶锁定易挥发有机分子

李景虹 ^*

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Locking Volatile Organic Molecules by Inorganic Subnanometer Nanowires

Jinghong Li ^*

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The alkaline earth metal cations-bridged polyoxometalate anions nanoclusters subnanometer nanowires were prepared through a facile room-temperature reaction. These nanowires could form 3D networks in the dispersion, and thus locked volatile organic liquids and formed gels. This finding provides a new strategy for safe storage and transportation of organic liquids and recovery of spilled oil.

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李景虹. 无机亚纳米线有机凝胶锁定易挥发有机分子[J]. 化学进展, 2022, 34(8): 1643-1644 DOI:10.7536/PC220704

Jinghong Li. Locking Volatile Organic Molecules by Inorganic Subnanometer Nanowires[J]. Progress in Chemistry, 2022, 34(8): 1643-1644 DOI:10.7536/PC220704

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凝胶是一类具有广泛应用背景的物质存在形态,在柔性电子器件和制动器、组织工程和储能器件等领域具有广泛的应用^[1]。目前,人们已经可以利用聚合物或无机纳米材料等凝胶剂轻松地制备得到各种各样的水凝胶。与水分子的氢键相比,挥发性有机分子的分子间作用力通常较弱,将这些有机液体锁住制备成凝胶材料比较困难,一定程度上阻碍了有机类凝胶材料的发展。同时,易挥发有机液体在空气中易达到其爆炸极限浓度,如果能够通过简单易行的方法将易挥发的有机液体凝胶化,对其安全存储和运输具有重要的意义。

近日,清华大学化学系王训课题组通过简单的室温反应制备了碱土金属离子-多酸阴离子纳米团簇亚纳米线。通过简单的分散和静置,亚纳米线即可有效锁住多种挥发性有机液体,形成自支撑的弹性有机凝胶。他们还进行了放大实验、稳定性实验和适用性实验,证明这种亚纳米线是一种很有应用前景的凝胶剂。相关成果发表在Science杂志上^[2]。

这种亚纳米线由碱土金属离子、多酸离子和油胺组成,钙离子在磷钨酸根离子之间起桥接作用,油胺分子和质子化的油胺附着于纳米线表面。纳米线的制备过程简单,只需要搅拌、离心和洗涤。通过等比例地放大原料量,可以提高亚纳米线的产量,可获得公斤级的亚纳米线。亚纳米线凝胶剂适用于多种有机液体的固化,文中报道了汽油、正辛烷、甲苯等十余种有机液体与亚纳米线形成的凝胶,临界凝胶浓度低至0.53%。放大实验可以制备得到大尺寸自支撑的弹性有机凝胶。通过简单的蒸发和离心操作可以重复回收利用亚纳米线。亚纳米线-有机液体凝胶的稳定性良好,在密闭容器中储存两个月之后无明显损坏,在低至液氮温度的环境下,解冻后基本保持原状。亚纳米线凝胶剂可用于溢油收集,与水面上的汽油结合形成自支撑的凝胶,便于从水中分离泄漏的汽油,通过蒸馏可以进一步地将汽油与纳米线分离。

他们还对亚纳米线凝胶剂的作用机理进行了研究。通过表征发现亚纳米线在凝胶中形成了三维网络状结构,纳米线束纵横交错,形成了类似小囊泡的结构,将有机液体固定其中。亚纳米线-有机液体凝胶良好的性能不仅来源于相互缠绕的亚纳米线之间的多级相互作用,还源于亚纳米线良好的柔性,能够与有机液体充分接触,两者之间存在范德华力、静电力等相互作用力。通过分子动力学模拟证明了凝胶中有机分子的运动扩散常数明显低于纯的有机液体,进一步证明了亚纳米线可以有效锁定有机分子。

亚纳米线直径接近单晶胞尺寸,长径比可达数千,尺寸接近线型高分子链,具有一定的类高分子性质,也可以通过一些加工高分子的方法进行加工^[3⇓⇓~6]。该研究使亚纳米线的应用场景进一步拓展,有望应用于制备新型功能化有机凝胶、安全储存和运输有机液体以及回收溢油。对无机亚纳米材料的类高分子性质进行进一步深入研究,为新型无机功能材料的设计合成及应用奠定基础。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	Zhang Y S, Khademhosseini A. Science, 2017, 356(6337): eaaf3627.

[2]	Zhang S M, Shi W X, Wang X. Science, 2022, 377(6601): 100.

[3]	Hu S, Liu H L, Wang P P, Wang X. J. Am. Chem. Soc., 2013, 135(30): 111115.

[4]	Liu H L, Gong Q H, Yue Y H, Guo L, Wang X. J. Am. Chem. Soc., 2017, 139(25): 8579.

[5]	Zhang S M, Wang X. ACS Mat. Lett., 2020, 2(6): 639.

[6]	Zhang S M, Shi W X, Rong S J, Li S Z, Zhuang J, Wang X. J. Am. Chem. Soc., 2020, 142(3): 1375.

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[3]	Hu S, Liu H L, Wang P P, Wang X. J. Am. Chem. Soc., 2013, 135(30): 111115.
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[6]	Zhang S M, Shi W X, Rong S J, Li S Z, Zhuang J, Wang X. J. Am. Chem. Soc., 2020, 142(3): 1375.

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2022-08-20
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2022-07-15

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