
易挥发的有机液体由于其挥发性和可燃性,在空气中易于达到其爆炸极限浓度,因此该类物质的存储是我们日常生活中的一大难题。就在2022年5月,绍兴一家药企就因易挥发有机溶剂导致火灾,因此,有机溶剂的安全存储是一个需要紧密关注的问题。易挥发有机溶剂通常存储于阴凉通风,且需要密封。而还有另外一种安全存储的方法就是将易挥发的有机液体凝胶化,可以使得易挥发的有机液体安全地存储。在我们生活中最为常见的案例就是固体酒精。固体酒精因为其方便、安全、易于储存已经在我们的生活中被广泛使用,而其本质上是由醋酸钙和酒精凝胶化形成的有机凝胶。
但是,对于绝大多数有机凝胶,如聚合物交联网络形成的有机凝胶,一方面是受限于其溶胀率,该类材料的存储量有限;另外一方面是有机溶液的释放只能通过加热蒸馏,释放困难。为了方便易挥发有机液体的存储,而清华大学王训团队开发出了一种利用碱土金属离子钙离子、多金属氧酸盐及油胺形成了一种纳米线状材料,这种纳米线状材料可以和十多种易挥发的有机液体形成有机凝胶,利用少量的该材料(0.53%)即可以使得大量的有机液体凝胶化,仅需要离心既可以将该纳米材料与有机液体分离并可以重复利用十次以上。该工作以题为“Locking volatile organic molecules by subnanometer inorganic nanowire-based organogels”的文章发表在Science上。
science.abm7574.pdf这种纳米线状材料的制备十分简单,将硝酸钙,磷酸钨水合物以及油胺以一定比例,在水中混合即可形成所需的纳米线状材料。钙离子在磷酸钨离子之间起到了桥接作用,通过电性相互作用形成纳米线状粒子,质子化的油酸则附着于纳米线粒状子表面,维持着纳米线状粒子的电中性和在水中的稳定性。王训团队同时还试验了其他金属离子,发现除了锶离子以外,无法形成类似结构的纳米线状粒子。
通过一系列实验,王训团队发现仅仅需要少量的纳米线状粒子与一些易挥发的有机液体混合既可以形成凝胶。这些有机液体包括环己烷、己烷、甲苯、汽油,正丙醚等。凝胶具有明显的丁达尔效应,并且该类有机凝胶在水中也有良好的稳定性,可以用于在水中汽油的回收。在经过离心或蒸馏后,可以得到纯度为99.5%以上的汽油,证明该类有机凝胶易于与有机液体分离的特性。回收的纳米线状粒子可以再次与其他有机液体再次凝胶化,重复使用次数可达10次。为了验证凝胶的稳定性,王训团队将凝胶放置于液氮中凝固,并再融化,发现凝胶保持原有状态。
此类有机凝胶还拥有优良的力学性能,无论是拉伸还是压缩,凝胶都可以恢复原状。通过动态力学分析,储能模量高于损耗模量,这说明了该有机凝胶具备稳定的交联网络。凝胶具备相对较高的拉伸模量和压缩模量,并且凝胶的拉伸模量高于凝胶的压缩模量,这说明凝胶中的纳米线状粒子在拉伸的状态下具有一定的取向性。随着纳米线状粒子浓度的不断升高,其拉伸模量和压缩模量也随之升高,这证明了纳米线状粒子组成的网络使得凝胶具备优良的力学性能。而凝胶的力学性能在静态放置的前两天内呈现上升的趋势,而随着时间的推移凝胶的力学性能趋于稳定。这是因为纳米线状粒子网络与有机液体达到了动态平衡。力学性能测试证明了该类纳米线状网络组成的有机凝胶具备优良的稳定性,而其他的有机凝胶通常没有这种优异的力学性能。小结:利用钙离子,磷酸钨根离子以及油胺形成的纳米线状粒子可以与多种易挥发有机液体形成稳定的凝胶结构。该凝胶具备优良的稳定性和机械性能,可以轻松地释放和固定易挥发有机溶剂,并可循环使用。在有机溶剂的安全存储方面有着巨大的应用潜力。