杭师大汤龙程团队《ChemEngJ》:快速、可循环且耐候稳定的新型MXene基火灾预警传感器

上传时间 :2021-09-09 12:29:20    浏览次数 :105    作者与来源 :苏丽

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近日,杭州师范大学汤龙程研究员团队报道了一种绿色水溶性聚合物改性的Ti3C2Tx MXene薄膜/涂层;该材料不仅具有良好的阻燃性能,而且具备超快、可重复使用和耐候稳定的火灾预警性能,为开发新型智能火灾预警传感器提供了一个新的思路。相关研究结果以“Facile and green fabrication of flame-retardant Ti3C2TxMXene networks forultrafast, reusable and weather-resistant fire warning” 为题发表在《Chemical Engineering Journal》(2021, 427, 131615; IF:13.273)。

火伴随着人类的全部历史,也在推动着人类的文明与发展。但是,火也是双刃剑。易燃材料具有低的着火点温度和快速的火焰蔓延速度,极易引发严重的火灾事故,往往造成严重的人员伤亡和财产损失,甚至会对人类的环境造成了负面影响。因此,为了有效地监控临界火灾风险并避免严重火灾事故,迫切需求开发快速、可重复使用且耐候的主动式智能火灾警报传感器。

考虑到导电的MXene具有在高温下会发生氧化反应转变成绝缘的二氧化钛这一阻燃转变特性,团队提出和设计了一种快速响应(<2 s)、可重复使用(100次火焰进攻循坏)且耐候(室外放置近1年)的新型MXene基火灾预警传感器(图1)。通过简便的绿色低温诱导自组装法将水溶性聚乙二醇(PEG)或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)分子引入到二维纳米片层MXene网络中,制备出了具有贝壳状取向结构的MXene薄膜,进而将薄膜材料直接与电源和报警等链接,即可构筑出新型的火焰循环报警传感器。

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图1. 水溶性聚合物改性MXene薄膜的微观结构、火灾循环报警过程与作用机制示意图

研究结果显示,该水溶性聚合物改性MXene薄膜构筑的新型火灾预警传感器具有以下显著的特征(图2):(1)相比于纯MXene薄膜无法提供灵敏的预警信号,水溶性聚合物改性MXene薄膜显示出快速的火焰探测响应(~1.8 s),且火焰撤走后电阻信号可以快速回复(~1.0 s);(2)改性MXene薄膜显示稳定的循环火焰探测响应,即使在300 s、600 s乃至1800 s以上的长时间火焰攻击或100次火焰进攻后仍能够表现出良好的火焰预警响应的循环稳定性和极高的灵敏度值,这是氧化石墨烯类传感器无法实现的;(3)改性MXene薄膜构筑的火焰探测预警传感器具备高灵敏的电阻开关响应行为,电阻变化均>4个数量级。通过观察和分析火焰进攻过程中薄膜的微观结构演变,作者首次发现和证实水溶性聚合物可以促进MXene的快速氧化,形成坚固的鱼鳞状C/N掺杂二氧化钛结构,诱导MXene网络由导电快速转变为绝缘状态。令人感兴趣的是,在循环火焰进攻过程中,火焰高温会激发该鱼鳞状二氧化钛结构的能带跃迁,导致其电阻在导电-绝缘间快速可逆转变,进而实现火焰快速、循环探测响应行为。

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图2. 改性MXene复合薄膜在火焰循环探测过程中的电阻转变响应行为和性能

在上述研究结果基础上,作者进一步引入全氟硅烷表面处理制备了多功能MXene基涂层(图3)。该涂层不仅可以实现易燃纤维纸的表面超疏水化和绿色阻燃化,而且能够提供稳定可靠的火灾循环报警信号。值得注意的是,该涂层在复杂气候环境中放置一年后仍具备稳定可靠的火焰循环探测响应行为,这为易燃材料的火灾安全和预防提供了新的途径。

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图3. 硅烷化MXene功能涂层实现易燃材料的表面超疏水化、绿色阻燃化以及快速耐候火灾循环预警响应

课题组硕士研究生毛敏和俞柯欣为文章并列第一作者,汤龙程研究员为文章的通讯作者。研究工作获得国家自然科学基金、浙江省自然科学基金和杭州市科技计划项目等的联合资助。
文章链接:
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131615

 人物简介:

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毛敏,2012年毕业于北京林业大学,获工学学士学位;2021年杭州师范大学获得工学硕士学位。研究方向为阻燃有机硅高分子复合材料及其智能传感器。已申请国家发明专利1项,在Chem Eng J、Compos Part A等学术杂志上发表论文6篇;先后获得国家奖学金、浙江省级优秀毕业生等荣誉。

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俞柯欣,2019年毕业于浙大宁波理工学院,获工学学士学位。现为杭州师范大学汤龙程团队的硕士研究生。研究方向为阻燃功能纳米复合涂层及其新型火灾循环预警应用研究。已申请国家发明专利1项,在Chem Eng J与J Mater Sci Technol学术杂志上共发表论文2篇。

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汤龙程,工学博士,研究员。长期从事氟硅高分子及其功能纳米复合材料的应用基础研究,主持国家自然科学基金、浙江省自然科学基金和企业横向项目等20余项。已在ACS Nano、NanoEnergy、Chem Eng J、J Mater Chem A等期刊上发表论文70多篇,H-index=37;相关研究引起国内外学者广泛关注,共有12篇入选ISI-ESI高被引论文;先后获2019英国皇家化学会材料类期刊 “Top1%高被引中国作者”、2017年度Elsevier出版社和Compos Part A杂志联合颁布Editor’s Top Reviewer Award等。获国家授权发明专利40余项,部分技术已在合作企业应用转化。