弗吉尼亞理工大學(xué)科學(xué)學(xué)院的一位教授希望利用儲(chǔ)存在外殼中的能量為飛機(jī)和汽車(chē)提供動(dòng)力。他可能使用由所謂的嵌段共聚物制成的多孔碳纖維發(fā)現(xiàn)了通向該視覺(jué)的道路。
碳纖維，已知為高性能工程材料，廣泛用于航空航天和汽車(chē)工業(yè)。其中一個(gè)應(yīng)用是梅賽德斯 - 奔馳，寶馬或蘭博基尼等豪華車(chē)的外殼。
碳纖維，薄發(fā)狀碳纖維束，具有多種主要材料特性：它們具有機(jī)械強(qiáng)度，耐化學(xué)性，導(dǎo)電性，阻燃性，并且可能最重要的是輕質(zhì)。碳纖維的重量提高了燃料和能源效率，生產(chǎn)出更快的噴氣式飛機(jī)和車(chē)輛。
設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和功能材料
國(guó)民化學(xué)系助理教授郭亮“Greg”Liu構(gòu)思了創(chuàng)造不僅結(jié)構(gòu)有用的碳纖維的想法; 它們?cè)诠δ苌弦埠苡杏谩?/p>
“如果我們可以將它們?cè)O(shè)計(jì)成具有功能，例如能量存儲(chǔ)怎么辦?” 劉說(shuō)，他也是大分子創(chuàng)新研究所的成員。“如果你想讓他們儲(chǔ)存能量，你需要有能夠放置離子的地方。”
劉說(shuō)，理想情況下，碳纖維可以被設(shè)計(jì)成具有均勻散布的微孔，類(lèi)似于海綿，可以存儲(chǔ)能量離子。
在調(diào)整了長(zhǎng)期傳統(tǒng)的化學(xué)生產(chǎn)碳纖維的方法之后，劉現(xiàn)在開(kāi)發(fā)了一種首次合成多孔碳纖維的工藝，其尺寸和間距均勻。他在最近發(fā)表在高影響力期刊Science Advances上的一篇文章中詳述了這項(xiàng)工作。
“制造多孔碳纖維并不容易，”劉說(shuō)。“人們已經(jīng)嘗試了幾十年。但碳纖維中孔隙的質(zhì)量和均勻性并不令人滿(mǎn)意。
“我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中設(shè)計(jì)，合成，然后加工這些聚合物，然后我們將它們制成多孔碳纖維。”
使用嵌段共聚物制造多孔碳纖維
劉使用了一種多步化學(xué)過(guò)程，使用兩種聚合物 - 長(zhǎng)的重復(fù)分子鏈 - 稱(chēng)為聚丙烯腈(PAN)和聚(丙烯腈 - 嵌段 - 甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)。
PAN在聚合物化學(xué)領(lǐng)域中作為碳纖維的前體化合物是眾所周知的，并且PMMA充當(dāng)位置保持材料，其隨后被去除以產(chǎn)生孔。
但在過(guò)去，其他化學(xué)家通常將PAN和PMMA分別混合成溶液。這產(chǎn)生了多孔碳纖維，但具有不同尺寸和間隔的孔。能量?jī)?chǔ)存可以通過(guò)更大的表面積而最大化，其具有更小，均勻的孔。
劉提出了粘合PAN和PMMA的新想法，創(chuàng)造了所謂的嵌段共聚物。一半的化合物聚合物是PAN，另一半是PMMA，它們?cè)谥虚g共價(jià)鍵合。
“這是我們第一次利用嵌段共聚物制造碳纖維，并且第一次將基于嵌段共聚物的多孔碳纖維用于儲(chǔ)能，”劉說(shuō)。“通常，我們只是從流程的角度思考，但在這里我們從材料設(shè)計(jì)的角度思考。”
在實(shí)驗(yàn)室中合成嵌段共聚物后，粘性溶液然后經(jīng)歷三個(gè)化學(xué)過(guò)程以獲得多孔碳纖維。
第一步是靜電紡絲，這是一種利用電力產(chǎn)生纖維束并將溶液硬化成紙狀材料的方法。接下來(lái)，劉將聚合物通過(guò)氧化加熱過(guò)程。在該步驟中，PAN和PMMA自然分離并自組裝成PAN鏈和PMMA的均勻分散區(qū)域。
在稱(chēng)為熱解的最后步驟中，Liu將聚合物加熱到更高的溫度。該過(guò)程將PAN固化成碳并除去PMMA，在整個(gè)纖維中留下相互連接的中孔和微孔。
能量?jī)?chǔ)存的新可能性
盡管這一突破改進(jìn)了已經(jīng)很高性能的工程材料，但更大的突破可能是使用嵌段共聚物來(lái)創(chuàng)建均勻的多孔結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的可能性。
“這開(kāi)啟了我們考慮設(shè)計(jì)儲(chǔ)能材料的方式，”劉說(shuō)。“現(xiàn)在我們也可以開(kāi)始考慮功能性。我們不僅使用(碳纖維)作為結(jié)構(gòu)材料，還使用功能材料。”
自從2014年加入弗吉尼亞理工大學(xué)以來(lái)，劉一直在考慮這個(gè)想法，但他在2016年通過(guò)空軍青年調(diào)查員計(jì)劃(YIP)提交獲獎(jiǎng)提案后開(kāi)始對(duì)這一想法進(jìn)行正式研究。