DOI: 10.1016/j.apmt.2023.101784

本文提出了一种制备具有多功能和触发性能的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）-二氧化钛（TiO₂）纳米纤维气凝胶（NFA）的有效方法。这些具有层状多孔结构（＞99%孔隙率）的低密度（～10mg/cm³）3D自支撑气凝胶是通过溶胶-凝胶电纺PVP-TiO₂杂化纳米纤维的固体模板形成的。TiO₂的光催化活性可灵活应用，其中气凝胶在紫外线照射下对大肠杆菌和肠道沙门氏菌等细菌表现出抗菌性能。值得注意的是，虽然气凝胶因其固有的多孔性而吸收常见的挥发性有机成分（VOCs）或油，但气凝胶暴露在紫外线（UV）辐射下会使其分解。PVP-TiO₂ NFA具有低热导率（0.062W/m/K）以及相当大的机械柔性，最高应变为50%，恢复率>90%，无需后处理。光响应特性、机械弹性、亲油性和隔热性能使这些气凝胶成为多种应用的理想候选材料。最后，研究者从PVP和TiO₂的相互作用以及气凝胶微观结构的角度讨论了这种性能增强机理。

图1.PVP-TiO₂ NFAs的构建途径：将TiO₂前体置于60℃下老化一段时间，然后与PVP溶液混合（1）并进行静电纺丝（2）。在非溶剂中，对由非织造电纺纳米纤维切割而成的短纤维进行均质化（3），接着冷冻干燥（4）以制备NFA。

图2.PVP-TiO₂ NFA的形态：a）由网纹草支撑的NFA。b）SEM图像显示了分层形态的气凝胶，c）SEM图像显示了次生和原生孔结构，d）3D X射线CT扫描，e）PVP-TiO₂ NFA的表面和f）深度剖面。注意，f中较低的数字表示较深的孔。

图3.PVP-TiO₂纳米纤维的表征：a）仅TiO₂、仅PVP和PVP-TiO₂纤维的XPS光谱（a1），PVP-TiO₂纳米粒子的Ti₂p芯能级谱（a2），PVP-TiO₂纳米粒子的O1s芯能级谱。b）仅TiO₂、仅PVP和PVP-TiO₂纳米纤维的FTIR光谱。c）PVP-TiO₂纳米纤维的EDX分析显示钛、氧和碳的单独和复合映射。d）仅TiO₂、仅PVP和PVP-TiO₂纳米纤维的氧化热重分析。

图4.PVP-TiO₂ NFA的机械测试：a）使用DHR流变仪进行压缩应力-应变测试，b）不同应变下的压缩应力-应变图，c）PVP-TiO₂ NFA与CNC-PEG常规气凝胶以及由二乙酸纤维素和二氧化硅组成的混合NFA的应力-应变曲线比较。和d）混合气凝胶在50%应变下进行50次循环疲劳试验。

图5.PVP-TiO₂ NFA的隔热性能：将NFA置于150℃的热板上（a）10和（b）30分钟后，其顶部和中部的红外（IR）图像。

图6.a）抗菌试验示意图，b和c）PVP-TiO₂ NFA对革兰氏阴性（大肠杆菌、肠道沙门氏菌）细菌的抗菌性能。

图7.a）PVP-TiO₂气凝胶的VOC吸附能力，b）研究PVP-TiO₂气凝胶对VOC降解的光催化活性的实验装置示意图，以及c）PVP-Ti0₂气凝胶上丙酮光催化降解生成的气体产物的GC色谱图。

图8.a）PVP-TiO₂ NFA的吸油和再生过程图解。b）PVP-TiO₂ NFA的循环吸油能力。c）暴露于不同条件下的矿物油样品的粘度与剪切速率的函数关系，以及d）暴露于UV后矿物油粘度降低的柱状图。