基于生物仿生的延迟释放Co3O4@ZIF-8纳米反应器，用于聚丙烯复合材料中分离炭化过程与一氧化碳氧化过程

《Polymer Degradation and Stability》：Bioinspired delayed-exposure Co 3O 4@ZIF-8 nanoreactor for decoupled charring and CO oxidation in polypropylene composites

传统阻燃剂因局部缺氧导致碳化不完全并释放大量CO，本研究仿生设计Co3O4@ZIF-8核心-壳催化剂，实现燃烧早期形成致密炭层隔热，后期暴露催化剂高效氧化CO，使PP复合材料LOI达32%、UL-94 V-0级，CO排放减少54.1%。

　　本研究围绕聚丙烯（PP）材料的燃烧安全性和毒性控制展开，提出了一种基于仿生学原理的新型催化策略，以解决传统阻燃剂在使用过程中存在的问题。PP作为一种广泛应用于航空航天、汽车制造和建筑行业的通用塑料，因其轻质、耐腐蚀和易于加工等优点而受到青睐。然而，其固有的易燃性以及燃烧过程中释放的大量热量和有毒气体，尤其是碳一氧化物（CO），严重限制了其在高安全需求环境中的应用。因此，开发一种既能有效阻燃又能显著降低燃烧产物毒性的材料成为研究重点。

传统的膨胀型阻燃剂（Intumescent Flame Retardants, IFRs）虽然能在一定程度上抑制火焰传播并提升阻燃性能，但在其原位生成和结构演变过程中，往往会导致局部缺氧环境的形成。这种缺氧环境不仅会阻碍完全碳化，还会促使大量有毒气体的释放。为了改善这一状况，研究者们尝试将IFRs与协同剂结合使用，利用界面和协同效应进一步增强阻燃性能和毒性控制效果。然而，目前的协同剂在实际应用中仍面临诸多挑战，例如其高表面能可能引发过量的氧化反应，从而破坏形成的保护炭层结构，影响整体的阻燃效果。此外，协同剂在聚合物基体中的分散性较差，也容易导致材料机械性能的下降。

近年来，金属有机框架（Metal–Organic Frameworks, MOFs）等多孔材料因其独特的结构和优异的物理化学性能，逐渐成为阻燃领域的重要研究对象。MOFs具有高度有序的孔道结构和较大的比表面积，能够有效吸附和催化反应。特别是ZIF-8（Zeolitic Imidazolate Framework-8），由锌节点和咪唑酸配体构成，表现出良好的物理化学稳定性，已被证明在阻燃性能方面具有显著优势。ZIF-8通过其吸附和催化双重机制，能够在燃烧过程中促进炭层的形成并加速有毒气体的氧化反应。然而，单独使用MOFs仍存在一定的局限性，尤其是在高温下其热稳定性不足，且在烟雾和毒性控制方面表现不够理想。

基于上述背景，本研究提出了一种仿生学启发的界面化学工程策略，设计并构建了一种新型的核壳结构催化剂——Co?O?@ZIF-8。该催化剂的设计灵感来源于自然种子的保护性核壳结构及其对环境刺激的响应机制。通过表面功能化导向的方法，将具有高催化活性的Co?O?纳米棒原位封装在ZIF-8框架内，实现了对催化活性位点的空间限制和高温下的可控释放。这种设计不仅保留了Co?O?的固有催化活性，还能够在实际聚合物燃烧温度下高效催化CO的氧化反应，从而显著降低燃烧过程中的热量释放和有毒气体排放。

Co?O?作为一种具有高表面反应活性和丰富氧空位的金属氧化物，已被证实对CO的氧化具有优异的催化效果。特别是在设计特定形态如纳米棒结构后，Co?O?能够在极低温度下（如-77°C）实现CO的完全氧化。这种高效的催化能力使得Co?O?在阻燃体系中具有广阔的应用前景。然而，其高表面能也带来了一些问题，如在炭层内部可能引发过度的氧化反应，破坏炭层结构，进而影响阻燃效果。此外，Co?O?在聚合物基体中的分散性不佳，也可能影响复合材料的整体性能。

为了克服这些挑战，研究者们尝试将Co?O?与ZIF-8结合，利用ZIF-8的高稳定性、良好的吸附能力和可调的化学环境，对Co?O?的催化活性进行有效调控。ZIF-8作为载体，能够在燃烧初期对Co?O?进行空间限制，使其在形成保护炭层的过程中发挥积极作用；而在高温阶段，ZIF-8的结构会发生变化，使Co?O?暴露出来，从而高效催化CO的氧化反应。这种分阶段的催化策略实现了炭层形成与CO氧化之间的时空解耦，不仅提升了阻燃性能，还有效降低了燃烧产物的毒性。

在实验中，研究人员通过将表面功能化的Co?O?纳米棒原位封装在ZIF-8框架内，构建了具有核壳结构的催化剂。这种结构设计在燃烧过程中表现出显著的优势。在燃烧初期，ZIF-8能够提供一个稳定的保护层，促进形成致密的炭层，从而有效隔离热量和氧气，抑制火焰的传播。而在燃烧后期，随着温度的升高，ZIF-8的结构逐渐分解，使Co?O?暴露于高温环境中，进而高效催化CO的氧化反应，减少有毒气体的排放。这种分阶段的催化机制不仅提升了材料的阻燃性能，还显著改善了其在燃烧过程中的安全性。

实验结果表明，Co?O?@ZIF-8催化剂在阻燃聚丙烯复合材料中表现出优异的性能。具体而言，该催化剂能够将聚丙烯的峰值热释放速率（PHRR）降低91.7%，总热释放量（THR）减少83.9%，同时将CO的排放量降低54.1%。这些数据表明，该催化剂在提升阻燃性能的同时，也有效降低了燃烧过程中的毒性风险。此外，该材料还达到了LOI（极限氧指数）为32%和UL-94 V-0级别的阻燃标准，显示出其在实际应用中的潜力。

在材料合成方面，研究人员采用了多种先进的方法，包括表面功能化、原位封装和结构调控等。通过精确控制Co?O?纳米棒的表面修饰和ZIF-8框架的构建，成功实现了催化剂的高效封装和可控释放。这种合成策略不仅保证了催化剂的稳定性，还提升了其在复合材料中的分散性和界面相容性。此外，ZIF-8的引入还改善了复合材料的机械性能，使其在燃烧过程中能够维持较高的结构完整性，从而进一步增强其阻燃效果。

在实际应用中，这种新型催化剂为聚丙烯材料的阻燃性能提升和毒性控制提供了一种全新的解决方案。传统的阻燃技术往往需要在材料中添加大量的阻燃剂，这不仅会增加材料的成本，还可能影响其加工性能和最终产品的质量。而Co?O?@ZIF-8催化剂则能够在较低的添加量下实现高效的阻燃和毒性控制，这不仅降低了材料的使用成本，还减少了对环境和人体健康的潜在影响。此外，该催化剂的设计理念具有高度的可扩展性，可以应用于其他易燃聚合物材料，为未来的阻燃材料开发提供新的思路。

本研究的创新点在于将仿生学原理与界面化学工程相结合，设计出一种具有时空解耦特性的核壳结构催化剂。这种设计不仅能够有效提升聚丙烯材料的阻燃性能，还能显著降低燃烧过程中的有毒气体排放。通过将Co?O?的高催化活性与ZIF-8的结构稳定性和界面调控能力相结合，研究人员成功构建了一种性能优异的阻燃复合材料。这种材料在燃烧过程中能够实现对热量和有毒气体的双重控制，为高安全需求环境下的材料应用提供了新的可能性。

在研究过程中，研究人员还关注了材料的综合性能，包括其热稳定性、机械强度和加工性能等。通过实验验证，Co?O?@ZIF-8催化剂不仅在高温下表现出良好的稳定性，还能够有效提升复合材料的机械性能，使其在燃烧过程中保持较高的结构完整性。此外，该催化剂的引入并未显著影响聚丙烯的加工性能，表明其在实际应用中具有良好的可行性。这些综合性能的提升，使得Co?O?@ZIF-8催化剂成为一种具有广泛应用前景的新型阻燃材料。

综上所述，本研究提出了一种基于仿生学原理的新型阻燃策略，通过构建核壳结构的Co?O?@ZIF-8催化剂，实现了对聚丙烯材料燃烧过程中的有效控制。该催化剂在燃烧初期促进形成致密的炭层，起到良好的热屏蔽作用；在燃烧后期，通过高温下的可控释放，高效催化CO的氧化反应，显著降低有毒气体的排放。这种时空解耦的催化机制不仅提升了聚丙烯的阻燃性能，还有效改善了其在燃烧过程中的安全性。研究结果表明，该催化剂在实际应用中具有显著的优势，为未来高安全需求环境下的材料开发提供了重要的参考价值。