静电纺丝制备纳米材料「静电纺丝制备纳米纤维原理」

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如果没有低价而高效的制造纳米级物体，纳米技术的前景就无法实现，而这些纳米级物体必须进一步防止其聚集。对于纳米颗粒来说尤其如此，与普通颗粒不同，其具有特殊的光学、电子、磁性或催化特性。在电纺丝纤维中加入功能性纳米粒子是电纺丝研究的一个热门课题。

近日，美国加州理工研究人员通过一步电纺丝在光滑纳米纤维上自发形成纳米颗粒，这是一种低成本且可扩展的制备高表面复合材料的方法。含有质子导电电解质的纳米纤维层，即磷酸铯二氢氢铯，由与聚合物混合的透明溶液均匀地沉积在大面积的基质上。在一定条件下，通常光滑的纳米纤维在其外表面上大量生成磷酸二氢铯纳米颗粒。从电纺丝纤维的横断面图中看出，纳米颗粒来自于纤维内部的电解质，这些电解质在纤维沉积后被输送到外层表面。纳米颗粒在纤维表面的存在，使其表面的电解质面积增大，最终提高了电催化性能。与使用最先进电极制造的燃料电池相比，用纳米纤维-纳米颗粒复合物的电极制造的固体酸性燃料电池产生更高的电池电压。相关研究成果以“Spontaneous formation of nanoparticles on electrospun nanofibres”为题发表于国际著名期刊Nature Communications上

图1 静电纺丝过程的示意图。 这种纳米颗粒修饰的纳米纤维是由透明溶液一步制成的，其中含有溶解的磷酸氢铯(CDP)和聚合物。在浸入溶液中的旋转电极上形成多个泰勒锥。在收集电极上吹热空气，使得能够在低聚合物浓度下进行静电纺丝。具有CDP纳米颗粒的均匀纤维大面积沉积。

由纳米颗粒修饰的纳米纤维组成的胶束状复合结构的自发形成过程如图所示。为了在工业生产中显著提高纳米纤维的产量，该研究使用无喷嘴电纺丝而不是传统基于喷嘴的电纺丝来生产这些结构。该工艺首先制备了一种与聚合物添加剂混合的透明溶液。当静电力超过液体表面张力时，在滚筒表面形成多个泰勒锥，开始电纺丝过程。当纳米纤维在沉积过程中和沉积后固化时，纳米颗粒晶体在其表面自发形成。

图2 初纺复合材料样品的扫描电子显微镜图像。图像显示纳米颗粒修饰的磷酸二氢铯（CDP） -聚乙烯基吡咯烷酮（PVP） -聚苯胺（PANI）样品作为PVP浓度的函数。PVP浓度高于30mg/mL时不存在聚合物珠粒。纤维上纳米颗粒的尺寸和密度随着PVP浓度的增加而增加。PVP浓度为30 mg mL-1，平均纤维直径最小。比例尺代表1μm

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