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  通過靜電紡絲技術制備納米纖維材料是近十幾年來世界材料科學技術領域重要的學術與技術活動之一。利用靜電紡絲材料的纖維形貌，孔隙率均一可調，比表面積大等優勢特點，使其可以廣泛應用于生物醫用、過濾及防護、催化、能源、光電、食品工程、化妝品等眾多領域。發色團分子由于其自身的“D-π-A”結構，可以在活化狀態下，通過高壓電場的極化作用而發生一致取向，這種特性使其廣泛應用于非線性光學膜材料。

  長春工業大學材料科學高等研究院和化學工程學院的王世偉教授課題組首次將靜電紡絲技術應用于發色團分子的取向，并將這種薄膜應用于鋰離子電池中間隔膜中，結果顯示由于取向的發色團的引入，顯著增強了鋰離子在薄膜中的傳導率。如圖1所示，典型的發生團分子DR₁在PVDF粘稠的溶液中處于活化狀態，結合靜電紡絲過程中高壓直流電場的作用，DR₁分子發生一致取向，當溶劑揮發完全，在薄膜中，DR₁分子的取向得以固定，得到了具有取向結構的PVDF/DR₁靜電紡絲纖維膜。如圖2所示，通過測試薄膜鋰離子電導率，可以發現，薄膜的鋰離子電導率隨著DR₁分子含量的增加而增強，但隨著其分子濃度的增加其相容性會有所下降，通過試驗發現DR₁在聚合物中2%重量比情況下薄膜電導率最高，而且靜電紡絲電壓越大，薄膜的鋰離子電導率越大，最大值可以達到52 ms.cm^-1, 而純PVDF同樣方法制備的薄膜同樣方法測試，其鋰離子電導率只有3.61 ms.cm^-1。

圖1 a) 為發色團DR₁和DO₂₅的分子結構示意圖；b) 靜電紡絲示意圖；c) 鋰離子在薄膜中傳輸過程示意圖；d) 電紡絲誘導發色團分子取向過程示意圖。

圖2 a) PVDF/DR₁紡絲膜表面接觸角隨紡絲電壓變化；b) PVDF/DR₁紡絲膜電導率隨DR1濃度的變化；c)和d)分別為 PVDF/DR₁和PVDF/DO₂₅紡絲膜電導率隨紡絲電壓的變化。

  PVDF/DR₁電紡絲薄膜鋰離子傳輸增強的現象一定是DR₁分子發生取向導致的，那么一個新的問題出現了：鋰離子傳輸增強是由于DR₁分子中分布不均勻的電子云結構（偶極結構）引起的，還是分子鏈兩端連接的親疏水官能團導致的呢？因此，接下來作者選用了與DR₁分子結構相似的DO₂₅重復上述試驗，發現PVDF/DO₂₅電紡絲薄膜的鋰離子傳導率并沒有提高（如圖2d所示）, DO₂₅與DR₁的分子結構的區別就在于DO₂₅分子結構的兩端都是疏水基團，而DR₁分子鏈結構的兩端分別是親水基團和疏水基團，可以推斷，PVDF/DR₁薄膜鋰離子傳輸增強的機理應該是DR₁分子取向，分子鏈兩端的親水和疏水官能團也隨之翻轉，親水的羥基可以吸引鋰離子，而疏水基團排斥鋰離子，如圖3所示，導致了鋰離子在取向的DR₁薄膜中，不斷向前吸引和交替排斥，促使了它快速地傳輸到薄膜另一面。而沒有親水基團的DO₂₅分子雖然也會發生取向，但確沒有顯著地增強鋰離子電導率。

圖3 PVDF/DR₁靜電紡絲膜鋰離子傳輸增強機理示意圖。

  該工作中，作者通過薄膜表面接觸角（圖2a）,拉曼光譜等表征手段證實了DR₁分子在紡絲過程中取向的過程（圖4）。采用掃描電鏡表征了薄膜表面的纖維形貌。

圖4 PVDF/DR₁靜電紡絲膜拉曼光譜圖。

  以上研究成果近日發表于Journal of Materials Chemistry A, 論文的第一作者是長春工業大學材料科學高等研究院和化工學院碩士研究生高立峰，通訊作者是長春工業大學化學與工程學院王世偉教授。汕頭大學的段連峰教授在鋰離子電池的制備與表征方面給予了很多幫助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D0TA11838A