近日,德累斯顿工业大学的杜然博士后发展了一种非常规的新型快速胶凝策略,即在凝胶化过程中原位引入扰动场以促进物质运输并诱导加速反应动力学,在去除干扰场后,所得的凝胶碎片可以利用自愈合性能重新组装为整体。在不影响凝胶微观结构的情况下,这种方法可以使胶凝过程在室温下1-10分钟内发生(比传统的方法快了两到三个数量级),而且相关机制也得到了蒙特卡洛模拟(MC模拟)的支持。

上述这种非常规且概念上新的快速胶凝策略,是一种违反直觉的干扰促进胶凝方法。在凝胶化过程中原位引入扰动场极大地促进了物质运输并诱导了加速的反应动力学。在去除干扰场后,所得的凝胶碎片可通过自愈性能重新组装为整体。这导致在室温下在一到十分钟内凝胶化,而不会影响凝胶的微观结构。这比传统方法快了两到三个数量级。该机制也得到了蒙特卡洛模拟的支持。值得注意的是,干扰方法可以扩展到摇动和鼓泡,并且该方法适用于各种成分,例如金(Au),钯(Pd),铑(Rh),金钯(Au-Pd),金-钯-铂(Au-Pd-Pt)及其形态,例如核-壳结构或均质结构。

凝胶实验的进一步应用

凝胶产业是一个高成长、高科技、高产值的新兴基础材料应用行业。凝胶(Hydro Gel)是一类具有生态智能控释功能的材料的总称,其应用领域遍及各行业,是21世纪未来发展的主要功能高分子材料之一。高分子凝胶最早由欧美等发达国家研发,技术优势及应用经验较为领先,日本自20世纪80年代开始从事相关研究开发,目前在高分子凝胶尤其是凝胶材料领域有重要优势。

而这次实验,杜冉博士还利用了贵金属的光学和催化活性相结合的优势:“我们还率先通过使用乙醇氧化反应(EOR)作为模型反应来证明NMA的光电催化性能,其活性提高了45．5%。通过照明,实现了比市售钯/碳(Pd / C)高7．3倍的电流密度,因此,我们率先探索了NMA上的光电催化研究,为基础和面向应用的研究开辟了新的空间贵金属凝胶和其他系统。”

凝胶产品可被广泛运用于国民经济建设的各个领域,包括现代农林业、建筑安全、资源与环境、生物与新医药、食品、日用化工、电子仪器、纺织等。凝胶产品以其自身拥有的高效、节能、环保特性,不断替代低效率、高能耗、高污染的生产材料及生产工艺,特别是用于水土保持、水体净化、土壤重金属吸附、污水重金属去除及污泥深度脱水及预防污染意义十分重大,未来高分子凝胶材料及凝胶芯制品的发展潜力巨大。

凝胶市场飞速发展 国内企业长期专注

我们都知道,电催化涉及了众多与能源有关的重要过程,例如燃料电池的氧还原反应(ORR),绿色产氢的析氢反应(HER)和金属-空气电池的析氧反应(OER)。贵金属气凝胶(NMAs)结合了金属和气凝胶的特征,已经成为一类具有出色催化性能的新型电催化剂。然而,需要数小时甚至数周的缓慢制备方法严重阻碍了这些多孔材料的发展。此外,在NMA中,贵金属的独特光学性质(如等离子体共振)也一直被忽略,从而限制了其在电催化方面的优异潜在性能。

过去凝胶主要用于食品工业,而大多数是来自天然产物的生物凝胶产品,还无法进行大规模的工业生产。自从1966年美国农业部北方研究所成功开发出淀粉接枝丙烯腈高吸水树脂(高保水凝胶材料之一),认识到:淀粉衍生物吸水性树脂具有超过以往高分子材料的优越的吸水能力,吸水后形成的膨润凝胶具有很强的保水性,必将在卫生用品和农业等方面发挥极大作用后,掀起吸水性聚合物的研究热潮。淀粉接枝丙烯腈高吸水树脂很快在工业化上获得成功,开创了高吸水树脂工业。随后,美国、日本等国家纷纷开展高吸水树脂的研究开发工作,推出各种类型的高吸水性树脂产品。

2002年度,我国首次将生态智能控释凝胶材料研发及产业化列入十五期间国家科技重大专项,通过国家高技术研究计划(863计划)、火炬计划、国家高技术产业化项目、重点新产品计划、农业科技成果转化资金等途径进行了大量投入。过去十多年来,我国在一系列国家政策中给予了重大扶持,取得了一些标志性的成果和进步,因此我国组建凝胶工程技术研究中心,对大力提升我国凝胶产业的成果转化能力和产业化能力、满足我国新材料及相关产业发展的巨大需求、形成自主知识产权和国际竞争力、积极拓展国际市场、创造凝胶产业更大效益乃至国民经济发展具有至关重要的推动和促进作用。

我国凝胶行业起步较晚,属于新材料领域的新兴行业,目前国内具备高分子凝胶材料及凝胶芯制品全产业链开发实力的企业较少,尤其是智能高保水凝胶材料核心料一以来主要依靠国外进口,国内目前尚未出现能够规模化生产与销售的厂商,国内该类材料的供应商主要为日本的昭和电工株式会社,因此昭和电工株式会社为智能高保水凝胶材料核心料领先企业;由于目前市场对凝胶的认知程度较低,因此凝胶芯制品主要用于对传统材料、工艺或制品的替代,如退热贴、化妆品贴剂、凉垫、重金属吸附材料等,市场上均存在同类型或功效可替代的传统产品或工艺,目前市场竞争相对较为市场化,未来随着人们对凝胶认知度的提升,以及凝胶产品优越性能逐步被市场认可,预计未来凝胶芯制品相对于传统产品的优势会逐步体现,市场竞争优势会逐步增强。