浙江大学Nature Communications：超高效湿界面焦耳加热法合成纳米材料及其在CO2捕获中的应用
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作者:苏州开瑞仪器有限公司
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发布时间: 253天前
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本研究提出了一种创新的湿界面焦耳加热（WIJH）策略，用于超快速、可编程且节能的纳米材料合成。该方法通过在石墨烯膜上覆盖前驱体溶液，利用焦耳热局部限制在基底-溶液界面，结合溶剂蒸发实现温度急剧提升和前驱体集中，从而加速纳米材料的成核和生长。WIJH技术实现了HKUST-1的创纪录结晶速率（1.97 μm/s）和超低能耗（9.55 × 10^-6 kWh/cm^2），并可通过编程电加热过程定制产品数量、尺寸和形态。此外，制备的HKUST-1/GF展示了焦耳加热控制的CO2捕获和释放能力，为高效节能的纳米材料合成开辟了新途径。该研究发表于《Nature Communications》。
近日，浙江大学生物系统工程与食品科学学院傅迎春、应义斌教授团队（IBE）与浙江大学高分子科学与工程学系高超教授团队合作，在NATURE子刊（Nature Communications）上发表研究论文“Sub-second ultrafast yet programmable wet-chemical synthesis”（图1，原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40737-5）。
易操作的纳米材料宏观组装体器件在农业信息感知、医学诊断和新能源等领域极具前景，合成是其中关键及前沿方向之一。常规采用体相溶液加热策略促进纳米材料在基底的原位生长以实现制备，由于体相加热具有温度低、升/降温速率慢、热场难调控等特点，现有方法存在合成时间长、消耗大、可控性差、器件性能不稳定等问题。
为此，该研究报道了一种革新的“湿界面焦耳热”方法（图2a），结合石墨烯膜基底超快焦耳热效应与薄层溶剂蒸发浓缩效应，基于新的“限域界面加热”机理，实现了器件基底上多种纳米材料的（亚）秒级超快、普适制备，如金属有机框架（MOFs）、共价有机框架、金属、金属氧化物及硫化物等。以合成MOFs为例，与现有体相加热方法对比，WIJH结晶速率最高提升105倍，能源消耗及前驱体浓度分别低至10-6和10-2倍（图2b）。同时，WIJH可通过设定电流程序控制纳米材料在基底的成核与生长过程，进而实现产物数量、尺寸和形貌等的个性化定制（图2c）。此外，基于所制备的HKUST-1/石墨烯膜，结合焦耳热策略，实现了对二氧化碳分子吸脱附行为的高效控制，有望发展成为农业、能源、食品、环境等领域有害及信息分子的感知、捕获及利用新平台（图2d）。
图2 WIJH方法。（a）示意图；（b）合成效率对比；（c）程序化制备及产物表征；（d）CO2可控吸脱附应用。
