弗吉尼亚理工大学科学学院的一位教授希望利用储存在外壳中的能量为飞机和汽车提供动力。他可能使用由所谓的嵌段共聚物制成的多孔碳纤维发现了通向该视觉的道路。
碳纤维，已知为高性能工程材料，广泛用于航空航天和汽车工业。其中一个应用是梅赛德斯 - 奔驰，宝马或兰博基尼等豪华车的外壳。
碳纤维，薄发状碳纤维束，具有多种主要材料特性：它们具有机械强度，耐化学性，导电性，阻燃性，并且可能最重要的是轻质。碳纤维的重量提高了燃料和能源效率，生产出更快的喷气式飞机和车辆。
设计结构和功能材料
国民化学系助理教授郭亮“Greg”Liu构思了创造不仅结构有用的碳纤维的想法; 它们在功能上也很有用。
“如果我们可以将它们设计成具有功能，例如能量存储怎么办?” 刘说，他也是大分子创新研究所的成员。“如果你想让他们储存能量，你需要有能够放置离子的地方。”
刘说，理想情况下，碳纤维可以被设计成具有均匀散布的微孔，类似于海绵，可以存储能量离子。
在调整了长期传统的化学生产碳纤维的方法之后，刘现在开发了一种首次合成多孔碳纤维的工艺，其尺寸和间距均匀。他在最近发表在高影响力期刊Science Advances上的一篇文章中详述了这项工作。
“制造多孔碳纤维并不容易，”刘说。“人们已经尝试了几十年。但碳纤维中孔隙的质量和均匀性并不令人满意。
“我们在实验室中设计，合成，然后加工这些聚合物，然后我们将它们制成多孔碳纤维。”
使用嵌段共聚物制造多孔碳纤维
刘使用了一种多步化学过程，使用两种聚合物 - 长的重复分子链 - 称为聚丙烯腈(PAN)和聚(丙烯腈 - 嵌段 - 甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)。
PAN在聚合物化学领域中作为碳纤维的前体化合物是众所周知的，并且PMMA充当位置保持材料，其随后被去除以产生孔。
但在过去，其他化学家通常将PAN和PMMA分别混合成溶液。这产生了多孔碳纤维，但具有不同尺寸和间隔的孔。能量储存可以通过更大的表面积而最大化，其具有更小，均匀的孔。
刘提出了粘合PAN和PMMA的新想法，创造了所谓的嵌段共聚物。一半的化合物聚合物是PAN，另一半是PMMA，它们在中间共价键合。
“这是我们第一次利用嵌段共聚物制造碳纤维，并且第一次将基于嵌段共聚物的多孔碳纤维用于储能，”刘说。“通常，我们只是从流程的角度思考，但在这里我们从材料设计的角度思考。”
在实验室中合成嵌段共聚物后，粘性溶液然后经历三个化学过程以获得多孔碳纤维。
第一步是静电纺丝，这是一种利用电力产生纤维束并将溶液硬化成纸状材料的方法。接下来，刘将聚合物通过氧化加热过程。在该步骤中，PAN和PMMA自然分离并自组装成PAN链和PMMA的均匀分散区域。
在称为热解的最后步骤中，Liu将聚合物加热到更高的温度。该过程将PAN固化成碳并除去PMMA，在整个纤维中留下相互连接的中孔和微孔。
能量储存的新可能性
尽管这一突破改进了已经很高性能的工程材料，但更大的突破可能是使用嵌段共聚物来创建均匀的多孔结构以实现储能的可能性。
“这开启了我们考虑设计储能材料的方式，”刘说。“现在我们也可以开始考虑功能性。我们不仅使用(碳纤维)作为结构材料，还使用功能材料。”
自从2014年加入弗吉尼亚理工大学以来，刘一直在考虑这个想法，但他在2016年通过空军青年调查员计划(YIP)提交获奖提案后开始对这一想法进行正式研究。