Small:柔性、自支撑Zr(OH)4纳米片基复合纤维膜实现对化学战剂的快速降解

研究背景

近年来,由于世界多极化、国际局部冲突、恐怖主义行为等因素,利用化学战剂引发的军事战争及公共安全事件时有发生,严重威胁人类的生命、健康与安全。神经性毒剂(如沙林、VX、GD等)是现今毒性最强的一类化学战剂,它对乙酰胆碱酯酶活性有强烈的抑制作用,造成乙酰胆碱在体内蓄积,引起神经系统功能紊乱,导致神经麻痹以致窒息死亡。为更好地应对生化战争、恐怖袭击和危险化学品泄漏等突发状况对人体带来的伤害,经过近一个世纪的发展,各国已有相对成熟的物理隔绝型防毒服问世,其大多采用活性炭吸附材料,但这种吸附型材料存在重量大、透气性差、无法化学降解、易吸附饱和且产生二次污染等问题。因此,开发高透气、轻质、柔软的吸附降解型防护材料将具有重要的基础及战略意义,有望推动其在公共安全和军事化学等领域的实际应用。

大量研究表明,神经性毒剂的有效消解策略是通过选择性水解其P–X键(P–F,P–CN,P–SR等)达到减弱或消除毒性的目的。目前,已有各种材料被报道用于催化降解神经性毒剂或其模拟剂,如金属氧化物、金属氢氧化物、POMs、MOFs等。其中,纳米Zr基材料对化学战剂及其模拟剂表现出更优异的降解活性及更短的消解半衰期。然而,Zr基材料在被广泛应用之前,还面临着许多实际问题。例如,粉末形式通常不是气体过滤器、防护服和防化面罩等的理想选择,同时颗粒易团聚的问题会导致可接近的催化位点减少,从而大大降低催化活性。

文章概述

近日,东华大学纺织科技创新中心俞建勇院士及丁彬教授带领的纳米纤维研究团队基于表面限域生长策略设计开发了一种柔性自支撑的Zr基纳米纤维膜,并将其应用于化学防护领域。上述方法实现了超薄且高度曲折的Zr(OH)4纳米片在纳米纤维表面的限域导向生长,提高了材料的比表面积及催化活性,所制备的Zr基纳米纤维膜对化学战剂模拟剂DMMP的消解半衰期仅为4 min。同时,该纤维膜还展现出良好的透湿、透气性能(>10 kg m–2 day–1、>50 mm s–1)和稳固的耐疲劳机械性能(弯曲、拉伸、剪切等)。此外,该团队还将其作为核心功能层与普通防化服、作战服进行复合使用,对比实验结果表明上述复合面料对两种物质状态下的化学战剂(液滴及气溶胶)均具有快速吸附及分解效果。该策略有望为开发新一代多功能吸附降解型材料提供新思路,并广泛应用于环境、催化、能源等众多领域。

图文导读

图1. a) NANMs的制备过程示意图。b) 核–壳型NANFs横截面的化学结构示意图。c-e) ZrAc/PVB NMs,NNANMs,NANMs的扫描电镜图像。f) Zr(OH)4纳米片在纤维表面的限域生长机制。
图2. a) NANMs的多功能应用展示图。b) 不同应变下NANM的屈曲应力−应变曲线。c) 单纤维屈曲行为的有限元模拟。d) 应变50%下的一百万次耐疲劳屈曲测试。e) 不同频率、温度下的储存模量、弹性模量及损耗因子。f) NANMs的十万次耐疲劳拉伸测试。g-i) NANM负载防化服的化学战剂模拟剂降解性能对比实验。

东华大学纺织学院博士生廖亚龙为论文第一作者,东华大学丁彬教授、斯阳研究员为论文共同通讯作者。该工作获得了国家自然科学基金、上海市教委重大项目、上海市科委优秀学术带头人计划等项目的资助。

论文信息:

Ultrathin Zirconium Hydroxide Nanosheet-Assembled Nanofibrous Membranes for Rapid Degradation of Chemical Warfare Agents

Yalong Liao, Wenkun Chen, Shouzhen Li, Wenling Jiao, Yang Si*, Jianyong Yu, Bin Ding*

Small

DOI: 10.1002/smll.202101639

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202101639