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静电纺PAN材料在医用、过滤、电池等方面的最新应用进展

2022-01-13   易丝帮

导语

聚丙烯腈(英文:Polyacrylonitrile,PAN)是由单体的丙烯腈经过自由基聚合反应而得到高分子材料。聚丙烯腈为白色粉末状,密度为1.2g/cm,玻璃转化温度约为95℃,熔化温度为322℃。它溶于二甲基甲酰胺 ( DMF ) 、二甲基亚砜 ( DMSO )、环丁砜、硝酸亚乙基酯等极性有机溶剂,还能溶于硫氰酸盐、过氯酸盐、氯化锌、溴化锂等无机盐的浓水溶液,以及浓硝酸等特殊溶剂。

聚丙烯腈纳米纤维的应用领域非常广泛,主要应用于碳纤维的制备、过滤吸附、能源、催化和医用等领域。


1.吉林大学李响 J. Membr. Sci.:新型双层复合纳米纤维膜去除尿毒症毒素及其在血液透析中的应用

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➣为了制备一种同时具有吸附和透析能力的血液透析膜,研究者将两种不同的复合静电纺纳米纤维进行复合,制备了一种新型的双层复合纳米纤维膜。

➣通过Cu-BTC自组装在聚多巴胺/聚丙烯腈(PDA/PAN)复合纳米纤维表面,制备出一层对尿素具有良好吸附性能的纳米纤维。

➣第二层为生物聚合物壳聚糖/丝胶(CS/SS)复合纳米纤维,对肌酐具有良好的吸附能力。所制备的双层纳米纤维膜具有良好的血液相容性。

➣制备的纳米纤维膜作为血液透析膜进行模拟透析试验。透析4 h后,复合纳米纤维膜对牛血清白蛋白(BSA)的保留率为83.9%,对肌酐和尿素的清除率分别为82.3%和92.8%。

DOI: 10.1016/j.memsci.2021.119964


2.吉林大学王策/李永新 ACS Appl. Nano Mater.:具有红外隐身、自清洁和抗菌多功能的PAN/Al-ZnO/Ag纳米纤维

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➣本研究采用静电纺丝法、溶剂热法和化学镀法制备了具有红外保护、抗菌和自清洁三种功能的PAN/Al-ZnO/Ag纳米纤维复合材料(PAN/ZAO/Ag)。

➣ZAO纳米片与Ag纳米颗粒直接接触形成肖特基结,增加载流子浓度,使材料具有等离子体共振吸收近红外光的特性。在8-14 μm的热红外成像波段,材料的红外发射率低至0.39,有效遮挡了目标的热辐射。

➣ZAO和Ag纳米粒子具有协同抗菌作用,使材料对大肠杆菌的抗菌效率达到100%,大肠杆菌的生长活性完全丧失。

➣复合ZAO纳米片与Ag纳米颗粒形成的多级结构具有较大的表面粗糙度,因此复合膜也具有疏水性能,最大水接触角为131.5°,可以使表面水滴自由滑动,达到自清洁效果。

DOI: 10.1021/acsanm.1c03518


3. 南京林业大学黄超伯等人 J. Colloid Interface Sci.:可见光自清洁多功能纳米纤维膜用于复杂含油废水的修复

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➣采用电纺银/β-环糊精/聚丙烯腈(Ag/β-CD/PAN)纳米纤维,原位生长氧化锌(ZnO)层,制备了具有防污和可见光自清洁性能的分层结构超亲水/水下超疏油纳米纤维。

➣所形成的微纳米级结构大大增加了膜的粗糙度,提高了膜的水下超疏油能力。

➣在重力作用下,各种油水乳状液的渗透通量均大于619 L m−2h−1,分离效率均大于99.7%。

➣制备的膜在不同的恶劣条件下(如腐蚀性溶液、高温、紫外线照射和超声波洗涤)表现出优异的稳定性。

DOI: 10.1016/j.jcis.2021.09.194


4. 北京科技大学李从举等人Electrochim. Acta:基于N掺杂多孔碳纳米纤维的双金属MOF基复合材料,用于锂氧电池

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➣本研究提出了一种结合静电纺丝和热压的新方法,以开发嵌入多孔富氮碳纳米纤维 (ZnCo-NC/NCF) 中的 Co 基复合材料,作为 Li-O2 电池的自支撑正极。

➣通过双金属(ZnCo)沸石咪唑酯框架/聚丙烯腈(PAN)纳米纤维(BMZIF/PAN)的热解制备了电极。

➣由于静电纺丝碳基体具有优异的机械强度、ZIFs分解产生的丰富的孔隙率以及充分暴露的Co-Nx活性位点,该材料具有优异的柔韧性、高比表面积、电导率高,对氧化还原反应均有良好的催化性能。

➣该Li-O2电池具有较小的压差(0.49 V)、高比面积容量(9.52 mAh cm -2)和良好的长周期循环性能。

DOI: 10.1016/j.electacta.2021.139251


5. 东华大学覃小红&王黎明Chem. Eng. J.:一种同时产生太阳能蒸汽并吸附有机污染物的纤维结构MOF织物

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➣研究者结合喷涂工艺与静电纺丝技术,制备了一种可拦截颗粒的新型纤维结构MOF织物,用于同时产生太阳能蒸汽和吸附有机污染物。

➣该制备策略不仅保持了ZIF-67颗粒固有的孔结构,而且还实现了纳米纤维支架的光热功能化,与常用的共静电纺丝和表面修饰方法相比具有明显的优势。

➣所制备的可拦截颗粒的纤维结构MOF织物在一个太阳下实现了94.2%的高太阳能吸收率、1.50 kg m-2 h-1的快速蒸发速率和198.1 mg g-1的超高孔雀石绿(MG)吸附容量。此外,在太阳辐射的辅助下,该织物对MG污染物的去除效率高达99.9%。

DOI: 10.1016/j.cej.2021.131365


6. 四川大学赵长生J. Colloid Interface Sci.:“一锅法”静电纺丝法制备长效协同高效抗菌聚丙烯腈纳米纤维膜

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➣在PAN与N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的反应溶液中,原位合成银-二氧化硅纳米粒子(Ag@SiO 2 NPs)并使用硅烷偶联剂稳定;然后将[2-(甲基丙烯酰氧基)-乙基]三甲基氯化铵(MT)单体原位交联以获得聚季铵盐(PMT)。

➣浇铸溶液直接用于制备 Ag@SiO 2/PMT-PAN 纳米纤维膜 (NFM) 通过静电纺丝。

➣即使在银含量很低(0.3 wt. %)的情况下,Ag@SiO2/PMT-PAN NFM对大肠杆菌(99%)和金黄色葡萄球菌(99%)也表现出良好的抗菌活性。此外,在Ag@SiO2和PMT组分的有效协同作用下,NFM的抗菌能力在三个循环的抗菌过程中保持不变。

DOI: 10.1016/j.jcis.2021.11.075


7.  东北林业大学韩广萍等人Appl. Surf. Sci.:具有多尺度粗糙度结构的分层复合膜用于油包水乳液分离

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➣采用静电纺丝技术成功制备了由聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维选择性层、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球层和聚丙烯腈(PAN)纳米纤维支撑层组成的分层结构复合膜。

➣结果表明,通过改变聚甲基丙烯酸甲酯纺丝液的浓度(8 ~ 14 wt%),可以控制复合膜的表面粗糙度。

➣基于对W/O乳化液的分离性能,确定PAN-PMMA(12)-PVDF膜是一种合适的材料。膜的水接触角为131°,具有良好的拉伸强度和柔韧性,透油速度快,疏水性好。

DOI: 10.1016/j.apsusc.2021.150666


8.  青岛大学丛海林J. Hazard. Mater.:聚丙烯腈/聚四氢嘧啶(PAN/PTHP)纳米纤维的合成及抗菌抗病毒性能的研究

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➣本研究通过静电纺丝工艺将聚四氢乙烯(PTHP)与聚丙烯腈(PAN)混合制备成高效、长效抗菌的聚四氢乙烯(PAN) /聚四氢乙烯(PTHP)纳米纤维(>99.999%)。

➣结果表明,制备的PAN/PTHP纳米纤维具有良好的细胞相容性。此外,PAN/PTHP纳米纤维对慢病毒具有明显的破坏作用。

➣基于这些特性,将聚丙烯腈/PTHP纳米纤维应用于口罩中,可作为口罩的充气杀生物层,对空气中的颗粒物具有良好的截流效果。

DOI: 10.1016/j.jhazmat.2021.127602


9. 中国石油大学阎子峰等人Nano Energy:具有双原子 Fe-Co 位点的柔性碳纳米纤维薄膜用于可穿戴锌空气电池

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➣在这项工作中,开创了一种具有均匀分布的双原子FeN3-CoN3位点(Fe1Co1-CNF)的大面积柔性CNF薄膜制备的时间和成本效率高的策略。

➣由于预先设计的 ZnFeCo-NC前驱体(ZnFeCo -预)与静电纺聚合物聚丙烯腈(PAN)具有良好的兼容性和相似的功能,ZnFeCo -预和PAN的混合物可以共静电纺,并遵循标准的CNF制造工艺。

➣Fe1Co1-CNF对氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)均表现出良好的双功能催化性能,其中丰富的双催化FeN3-CoN3位点有利于获得最佳的反应中间体吸附/解吸电子性能。

DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106147


10. 东华大学黄满红 Chem. Eng. J. :清洁多功能C-P@MIL-P@MoS2电纺膜的制备

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➣电纺制备双层[MIL-88A/石墨相氮化碳(g-C3N4)+MoS2]纳米纤维作为功能层,用于在纳米纤维表面涂覆一层光滑且致密的壳聚糖(CS)制备一种多功能亲水性滤膜(称为C-P@MIL-P@MoS2)。

➣当同时添加H2O2和光照条件时,C-P@MIL-P@MoS2膜可在20分钟内完全降解50mg/L MB。当使用C-P@MIL-P@MoS2膜作为滤膜时,纯水通量可以达到431.2LMH。

➣[MIL-88A/g-C3N4+MoS2]层上的光芬顿反应可通过·OH有效降解MB,以恢复污染膜的水通量,并提高截留率。同时,Sb(III)被氧化成低毒的Sb(V),吸附在C-P@MIL-P@MoS2膜中的MIL-88A/g-C3N4颗粒上以进行去除。

DOI: 10.1016/j.cej.2021.129621


11. 西南石油大学何毅J. Hazard. Mater.:仿生毛毛虫结构纳米纤维膜用于高效油水分离和染料吸附

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➣本研究制备了聚丙烯腈(PAN)纳米纤维,然后在热稳定化PAN电纺纳米纤维上原位水热生长镍钴层状双氢氧化物(NiCo-LDHs),构建一种稳定且环保的具有分层毛虫状结构的纳米纤维膜。

➣亲水性 NiCo-LDHs 构建分层结构并赋予超亲水性 (≈ 0◦ )/水下超疏油性 (≈ 161◦ )。同时,NiCo LDH@PANI/PAN纳米纤维膜显示出超快的油水乳液分离通量和较高分离效率(99.07 %)。

➣带正电荷的NiCo-LDHs的引入提供了膜丰富吸附活性位点,有利于离子型油水乳液的破乳和有机污染物的吸附。

➣通过死端和错流过滤实验分别净化复杂污水,复合膜均表现出出色的油去除率(> 99.0%)和染料吸附能力(> 99.0%),再生循环能力强,无二次污染。

DOI: 10.1016/j.jhazmat.2021.125442


12. 南京工业大学孙世鹏J. Membr. Sci.:PEI2/PAN8-PAN纳滤膜的制备及其结构和性能研究

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➣本文提出了过渡层在膜结构和性能提高方面的作用,聚乙烯亚胺(PEI)/聚丙烯腈(PAN)过渡层和PAN基底层均是通过静电纺丝制备而成的,随后用均苯三甲酰氯和哌嗪进行界面聚合(IP)。

➣PEI改性过渡层的引入提高了亲水性,为IP提供了额外的反应位点,并避免了纳米纤维孔内的聚合。所得复合NF膜具有致密且无缺陷的选择层。

➣最佳结构带来出色的分离性能,橙黄II染料(MW=350.32g/mol)的截留率为95.6%,纯水通量为38.5 L m-2 h-1 bar-1。

➣它在低压(0.2MPa)纳滤过程中表现出稳定的长期性能,为TFNC膜在水净化和其他领域的实际应用提供了重要的指导。DOI:10.1016/j.memsci.2020.118927

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