輕工學院張素風教授團隊在高性能纖維素膜等方面取得重要進展

近期，我校輕工科學與工程學院（柔性電子學院）張素風教授團隊在高性能纖維素膜、可充電鋅-空氣電池、紙基傳感器檢測等方面取得重要進展。在Advanced Fiber Materials（IF = 17.2）、Carbohydrate polymers (IF = 10.7)、Small（IF = 13）、Cellulose（IF = 4.9）等期刊上發(fā)表了多篇研究論文。

1. 高性能纖維素膜

高性能纖維素膜可用于柔性傳感、氣體分離、膜反應器等領(lǐng)域。關(guān)注膜材料的制備工藝和應用技術(shù)，通過優(yōu)化制備工藝和改進應用技術(shù)，提高膜材料的性能和使用壽命，可有效推動其在相關(guān)領(lǐng)域的應用和發(fā)展。

本課題組研究了一種由羧化纖維素納米纖維(C-CNFs)介導的水性碳納米管分散方法。利用CNFs的成膜特性和CCNT的面內(nèi)定向自組裝特性，制備出具有高導電性(67 S cm^?1)和高力學性能(抗拉強度為153 MPa)的復合自支撐膜。此外，所得的生物基CCNT油墨與各種印刷工藝兼容，并適應各種承印物。相關(guān)研究成果以“High-performance cellulose nanofibers/carbon nanotubes composite for constructing multifunctional sensors and wearable electronics”為題發(fā)表在國際期刊Advanced Fiber Materials（文章鏈接：https://doi.org/10.1007/s42765-024-00388-7）。

同時，研究了一種通過電化學沉積高質(zhì)量二氧化錳(MnO₂)到納米纖維素(CNF)和碳納米管(CNT)導電膜表面的方法來構(gòu)建具有高電容和機械性能的柔性復合電極材料。相關(guān)研究成果以“Nanocellulose/carbon nanotube/manganese dioxide composite electrodes with high mass loadings for flexible supercapacitors”為題發(fā)表國際期刊Carbohydrate Polymers（文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2023.121661）。

2. 可充電鋅-空氣電池

可充電鋅-空氣電池因其環(huán)保、高能量密度（可達1086 Wh?kg^-1）和鋅資源豐富而備受關(guān)注。然而，陰極反應的動力學緩慢限制了其廣泛應用。雖然貴金屬催化劑如Pt和RuO₂/IrO₂常用于解決這一問題，但高成本和易腐蝕等問題阻礙了它們的使用。

近日，本課題組周秋生副教授在設(shè)計高性能雙功能氧電催化劑并應用于可充電鋅-空氣電池方面取得重要進展，相關(guān)成果以“In Situ construction of zinc-mediated Fe, N-codoped hollow carbon nanocages with boosted oxygen reduction for Zn air batteries”為題發(fā)表在Small期刊（文章鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202307943）。本文通過熱解表面聚合鐵摻雜聚多巴胺ZIF-8多面體，合成了鋅誘導的Fe, N共摻雜碳納米籠(Zn-FeNCNs)。理論計算和實驗結(jié)果均表明，多面體與聚多巴胺之間的強相互作用促進了高活性鋅調(diào)制的FeNx位點的演化和電子傳遞，從而提高了氧析反應(OER)和氧還原反應(ORR)的雙功能催化活性。此外，當將該催化劑應用于固態(tài)電池時，該器件在不同彎曲角度下表現(xiàn)出優(yōu)異的機械穩(wěn)定性和較高的往返效率。

3. 核酸快速檢測

近年來，核酸快速檢測作為一種特異性好、靈敏度高的技術(shù)已被廣泛應用于疾病診斷、食品安全檢測和環(huán)境監(jiān)測等諸多領(lǐng)域。樣品裂解是核酸快速提取中最重要的一步。目前，核酸快速提取裂解試劑往往需要棕色試劑瓶低溫且避光保存，存在攜帶不便、操作復雜、成本昂貴、耗時和不環(huán)保等缺陷。

本課題組唐蕊華副教授在紙基傳感器檢測研究方面取得一定進展，相關(guān)成果以“Carboxymethyl chitosan/alginate/polyethylene glycol composite hydrogel for nucleic acid lysis solution storage at the point of care”為題發(fā)表在Cellulose期刊（文章鏈接：https://doi.org/10.1007/s10570-024-05889-7）。本研究通過物理交聯(lián)的方法研發(fā)了一種pH響應的羧甲基殼聚糖/海藻酸鈉/聚乙二醇(CMCS/SA/PEG)復合水凝膠，采用干浸漬法儲存樣品裂解液。結(jié)果表明：CMCS/水楊酸/聚乙二醇6000復合水凝膠具有較大的孔徑(256.58±5.58微米)、良好的濕強度(282.3 Kpa)、優(yōu)異的溶脹率(706.91±6.69%)、較高的吸水倍率 負載量(90.46±1.13%)，降解良好容量(77.87±1.45%)和快速響應時間 (15 s)。此水凝膠可以與濾紙一起集成于注射器中組裝成一種核酸快速提取裝置。

（核稿：劉國棟 編輯：趙誠）