气凝胶

气凝胶是由胶体粒子或高聚物分子相互聚结构成纳米多孔网络结构，并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料。近来来气凝胶研究得到了很大的发展，本文对气凝胶的制备方法、结构与特性、应用前景等方面的研究进展作一简要的评述。     

气凝胶制备进展及其在催化方面的应用

气凝胶是一种具有奇异性的新材料，近年来一直受到科技界的广泛重视，本文回顾了气凝胶的制备历程，综述了气凝胶的制备方法，基本特点及其在催化领域内的应用，并对今后的研究方向做了预测。     

常压干燥法制备气凝胶的研究进展

气凝胶是一类轻质、低密度的三维纳米多孔固态材料,因其独特的高孔隙率、高比表面积和低导热系数等特性,使其在吸附、催化、保温隔热和隔音等诸多领域具有广泛的用途,目前其相关研究在材料科学领域受到了广泛的关注。气凝胶的制备主要包括溶胶-凝胶过程和湿凝胶干燥两个步骤,湿凝胶的干燥是制备气凝胶过程中至关重要而又较为困难的一步。传统的气凝胶通过超临界干燥制备,工艺复杂、成本高,而且由于干燥过程在高温高压条件下进行,有一定的危险性并且不适宜大规模生产,因此如何通过常压干燥获得高比表面积、高孔隙率、低密度的性能优异的气凝胶是其研究的重要方向之一。本文简要介绍了湿凝胶的制备以及凝胶干燥理论,详细介绍了近年来常压干燥方法气凝胶制备的研究进展,并对其未来发展前景做出了展望。     

超临界干燥法制备SiO2气凝胶的研究

通过溶胶－凝胶法和超临界干燥技术制得了ＳｉＯ２气凝胶，研究了溶液的ｐＨ值对凝胶时间及气凝胶密度的影响，应用ＸＲＤ、ＳＡＸＳ、ＴＥＭ和等方面对气凝胶样品的结构进行了初步研究，结果表明，ＳｉＯ２气凝胶是连续网络的非晶态纳米多孔固体，其基本粒子的平均直径约１０ｎｍ．     

二氧化硅气凝胶在保温隔热领域中的应用

二氧化硅(SiO_2)气凝胶是通过使用气体来置换湿溶胶中的液体,从而得到一种结构可控的新型轻质纳米多孔固态材料.SiO_2气凝胶材料与其他保温隔热材料相比,具有较低的导热系数(≈0.013 W/(m·K))和较高的透明性,在保温隔热领域中开发潜力巨大,有望替代传统的保温隔热材料.尽管气凝胶目前的成本高于传统的隔热材料,但是我们相信通过科学家和工程学家的不断努力,气凝胶的生产成本会被不断的降低,最终遍及世界各地.本文作者综述了SiO_2气凝胶材料在隔热领域的多种应用形式,介绍了目前国内外气凝胶公司研发产品情况以及实际应用案例.     

相变气凝胶的设计合成及其微环境调控性能研究

人体微环境调控可以通过材料本身性能的调控实现穿着凉爽舒适,对提高生活品质、减少碳排放具有重要价值.然而传统材料仅能单向地实现致冷或保温,同一材料实现致冷、保温双向功能,依然是本领域重要挑战和值得及时探索的方向.本文采用冷冻-解冻制备水凝胶与冷冻干燥技术,设计合成系列以聚乙烯醇和相变微胶囊为骨架的相变气凝胶.此类相变气凝...     

基于普通酚醛树脂有机气凝胶的高效制备与研究

基于普通线性酚醛树脂体系,采用溶胶-凝胶(sol-gel)法制备了酚醛树脂有机气凝胶.通过调节交联剂——六亚甲基四胺(HMTA)的浓度对酚醛树脂有机气凝胶的微观孔结构进行优化,减小溶剂在干燥过程中的毛细作用力,采用常压干燥的手段即可得到较小收缩率、较强骨架强度的有机气凝胶.详细研究了交联剂(HMTA)用量对有机气凝胶内部微观孔结构/形貌、表观密度、热稳定性、力学性能等方面的影响.孔结构与微观形态研究结果表明,随着HMTA浓度的减小,有机气凝胶平均孔径减小,比表面积增加,在较低交联剂浓度下,平均孔径达到100 nm,并且孔径分布均匀,内部聚合物有机骨架完好.纳米尺度的孔径和均匀的孔径分布能够显著提高有机气凝胶的骨架稳定性,与微米尺度孔径的气凝胶材料相比,压缩模量和压缩强度均有显著的提高.HMTA浓度的提高使酚醛树脂气凝胶体系中引入大量不稳定的N—CH2基团,造成气凝胶材料的热稳定性下降.     

块状TiO2气凝胶的制备及其表征

随着以溶胶-凝胶法和超临界干燥技术为基础的气凝胶制备方法的逐步完善,已不断制备出多种气凝胶[1～3].由于TiO2具有半导体特性,它常被作为光催化剂而受到重视,但是TiO2气凝胶的结构强度远比SiO2气凝胶小,在制备过程中极易碎裂粉化,所以至今未见制备块状TiO2气凝胶的报道.Dagan等[4]曾用异钛酸丁酯为母体制得TiO2气凝胶,并发现水杨酸在TiO2气凝胶存在下的光解速率是一般TiO2粉末的10倍,但获得的仅为TiO2气凝胶粉末.张敬畅等[5]以无机盐为原料,采用溶胶-凝胶法结合超临界干燥技术制备了纳米级TiO2气凝胶,也未能得到块状TiO2气凝胶材料. 本文报道以正钛酸丁酯为原料制备块状TiO2气凝胶的方法,并用TEM,SEM,XRD和IR等手段对所获得的气凝胶进行了结构表征.     

气凝胶微球的制备及应用

气凝胶由于其优异的理化性能和广阔的应用前景,近年来的发展十分迅速。然而传统的气凝胶多为块体材料,一定程度上忽略了特殊应用场景下对尺寸和形状的特定需求。将气凝胶材料制备成微球,一方面能够拓宽气凝胶材料的应用领域,另一方面也丰富了多孔微球材料的内涵。本文从几类主要的气凝胶体系(氧化硅气凝胶、纤维素气凝胶、间苯二酚-甲醛(RF)/碳气凝胶和石墨烯气凝胶)出发,综述了这些气凝胶微球的制备方法及其应用实例,并对气凝胶微球的研究现状及发展趋势做了简要评述。     

添加环氧丙烷法常压干燥制备ZrO2气凝胶

以无机锆盐硝酸氧锆(ZrO(NO3)2·5H2O)为前驱体,1,2-环氧丙烷(PO)为凝胶促进剂,甲酰胺(FA)为干燥控制化学添加剂(DCCA),采用溶胶-凝胶法并通过常压干燥制备了轻质二氧化锆(ZrO2)气凝胶,利用差热分析(DTA)、扫描电镜(SEM)、N2吸附/脱附等测试技术对所制得的ZrO2气凝胶进行了表征.结果表明:添加环氧丙烷常压干燥制得的ZrO2气凝胶具有纳米尺寸的多孔网络结构,表观密度可低至202.08 kg·m-3,比表面积可高达645.0 m2·g-1,与超临界干燥效果相当.环氧丙烷因其环氧原子的强亲核性和不可逆的开环反应,可促进凝胶化,并通过环氧丙烷的量控制反应过程和凝胶状态.     

三维多孔还原氧化石墨烯气凝胶的制备及其在锂离子电池中的应用

以天然鳞片石墨为原料,采用改良的Hummers方法,制备了高纯度的薄层或单层氧化石墨(GO);并以抗坏血酸为还原剂,通过自组装还原的方式成功制备了具有三维多孔独巨石结构的还原氧化石墨烯(rGO)气凝胶,其形貌和结构经FT-IR, SEM, TEM, XRD和XPS表征。并对其作为锂离子电池负极材料的电化学性能进行了测试。结果表明：rGO气凝胶独特的形貌和结构提高了其比容量和循环性能,在100 mA·g^-1电流密度下首周放电比容量可达1 700 mAh·g^-1,首周充电比容量达710 mAh·g^-1,经过100周循环后放电比容量仍可保持在450 mAh·g^-1,库伦效率保持在98%。     

Green Preparation of Durian Rind-Based Cellulose Nanofiber and Its Application in Aerogel

In this study, a green, highly efficient and low energy consumption preparation method of cellulose nanofiber (CNF) was developed by using agricultural and forestry waste durian rinds as raw materials. The power of ultrasonic treatment was successfully reduced to only 360 W with low molecular weight liquid DMSO. The obtained durian rind-based CNF had a diameter of 8–20 nm and a length of several micrometers. It had good dispersion and stability in water, and could spontaneously cross-link to form hydrogel at room temperature when the concentration was more than 0.5%. The microscopic morphology and compressive properties of CNF aerogels and composite cellulose aerogels prepared from durian rind-based CNF were evaluated. It was found that CNF could effectively prevent the volume shrinkage of aerogel, and the concentration of CNF had a significant effect on the microstructure and mechanical properties of aerogel. The CNF aerogel with 1% CNF exhibited a sheet structure braced by fibers, which had the strongest compression performance. The porosity of CNF aerogels was high to 99%. The compressive strength of the composite cellulose aerogel with durian rind-based CNF was effectively enhanced.     

基于MOF (Cu)@biochar气凝胶的制备及其在缓释氮肥上的应用

以羧甲基纤维素(CMC)、明胶和MOF(Cu)@biochar为原料,采用简单有效的冷冻干燥方法制备了(CMC/Gelatin/MOF(Cu)@biochar)杂化气凝胶,并用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、热重分析(TG)、X射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)技术对其进行了表征;研究了MOF(Cu)@biochar含量、pH和不同的盐水溶液对杂化气凝胶溶胀行为的影响;以该气凝胶负载氯化铵,制备了一种新型缓释肥料(SRF),并研究了含2%(wt)SRF的沙性土壤的保水能力;SRF在土壤中第30天的累积释放率为79.4%;肥料在土壤中释放符合非Fickian扩散和阳离子交换的协同作用机理。     

添加三甲基乙氧基硅烷制备耐高温硅/铝复合气凝胶

以仲丁醇铝(ASB)和三甲基乙氧基硅烷(TMEO)为前驱体,采用溶胶-凝胶法,经乙醇超临界干燥制备了耐温高、成型性好的硅/铝复合气凝胶。用透射电子显微镜、N2吸附分析仪、红外光谱仪、X射线衍射仪、hot disk热分析仪等仪器表征了气凝胶的形貌、孔结构、表面基团、晶相、热学等性能。在溶胶-凝胶过程中,通过添加TMEO在氧化铝纳米颗粒表面引入了-Si-(CH_3)_3基团,该基团经高温热处理后会在Al_2O_3表面形成SiO_2纳米颗粒,有效地抑制了Al_2O_3纳米颗粒在高温下的晶体生长,使得该复合气凝胶具有优异的耐温性能。在1 200℃高温处理后,线性收缩低至16%,比表面积可达141 m~2·g~(-1),这将进一步促进气凝胶材料在高温保温隔热、吸附、催化等领域的广泛应用。     

添加三甲基乙氧基硅烷制备耐高温硅/铝复合气凝胶

以仲丁醇铝(ASB)和三甲基乙氧基硅烷(TMEO)为前驱体,采用溶胶-凝胶法,经乙醇超临界干燥制备了耐温高、成型性好的硅/铝复合气凝胶。用透射电子显微镜、N₂吸附分析仪、红外光谱仪、X射线衍射仪、hot disk热分析仪等仪器表征了气凝胶的形貌、孔结构、表面基团、晶相、热学等性能。在溶胶-凝胶过程中,通过添加TMEO在氧化铝纳米颗粒表面引入了-Si-(CH₃)₃基团,该基团经高温热处理后会在Al₂O₃表面形成SiO₂纳米颗粒,有效地抑制了Al₂O₃纳米颗粒在高温下的晶体生长,使得该复合气凝胶具有优异的耐温性能。在1 200 ℃高温处理后,线性收缩低至16%,比表面积可达141 m²·g^-1,这将进一步促进气凝胶材料在高温保温隔热、吸附、催化等领域的广泛应用。     

Preparation of Silica Aerogel/Resin Composites and Their Application in Dental Restorative Materials

As the most advanced aerogel material, silica aerogel has had transformative industrial impacts. However, the use of silica aerogel is currently limited to the field of thermal insulation materials, so it is urgent to expand its application into other fields. In this work, silica aerogel/resin composites were successfully prepared by combining silica aerogel with a resin matrix for dental restoration. The applications of this material in the field of dental restoration, as well as its performance, are discussed in depth. It was demonstrated that, when the ratio of the resin matrix Bis-GMA to TEGDMA was 1:1, and the content of silica aerogel with 50 μm particle size was 12.5%, the composite achieved excellent mechanical properties. The flexural strength of the silica aerogel/resin composite reached 62.9546 MPa, which was more than five times that of the pure resin. Due to the presence of the silica aerogel, the composite also demonstrated outstanding antibacterial capabilities, meeting the demand for antimicrobial properties in dental materials. This work successfully investigated the prospect of using commercially available silica aerogels in dental restorative materials; we provide an easy method for using silica aerogels as dental restorative materials, as well as a reference for their application in the field of biomedical materials.     

石墨烯掺杂碳气凝胶粉体的制备及电磁干扰性能

采用溶胶-凝胶、 超临界干燥及高温裂解技术制备了不同石墨烯掺杂量的碳气凝胶(G-CA)粉体材料, 通过控制材料的组成和微观结构, 制备了密度仅为0.0093 g/cm³的低密度高导电性气凝胶粉体. 将G-CA粉体布撒在空气中, 测试其对毫米波、 可见光和红外光的衰减性能. 结果表明, 相对于纯碳气凝胶和纯石墨烯气凝胶, G-CA粉体对3种波段的电磁波的衰减性能大幅度提高. 其中石墨烯/掺杂量为7%的碳气凝胶(7%G-CA)在布撒初期和布撒20 min后, 对红外光和可见光均具有97%和94%以上的遮蔽率; 对于毫米波, 在布撒初期和布撒10 min以后, 分别具有75%和65%以上的遮蔽率. G-CA粉体具有良好的分等级微纳米结构及高导电性和超低密度, 该微观结构与组成的协同作用使其呈现出优异的多波段、 长时有效的电磁干扰性能, 有望扩展和延伸传统烟幕材料的应用范围.     

碱溶法制备高孔隙度多孔微球

提出并研究了以碱溶侵蚀提高多孔硅球孔隙度的新方法,研究了碱液浓度、处理温度、反应时间与洗除量的关系。结果表明,随着NaOH浓度的提高,不仅洗除量加大,而且硅胶的溶解速度亦少许增大,其主要原因是由于某些孔结构的塌陷导致了细屑的脱除。温度升高和处理时间延长会导致洗除量增大。随着洗除量的增加,硅胶的比孔容呈线性增大,但其外观仍为均匀的球形,且直径亦未见明显变化。选用粒径4~5 μm、孔径8 nm、比孔容1.4 cm3/g的多孔硅胶,采用1.25 mol/L NaOH水溶液、室温(25 ℃)处理3.0 h,制备了粒径4~5 μm、孔径14 nm、比孔容3.2 cm3/g的高孔隙度多孔硅胶,其孔隙度从75%增加到88%。     

聚吡咯/硝酸活化碳气凝胶纳米复合材料的制备表征及其在超级电容器中的应用

通过化学氧化聚合法制备出不同比例的聚吡咯(PPY)/硝酸活化碳气凝胶(HCA)复合材料。采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和扫描电子显微镜(SEM)表征材料的成分和形貌,结果表明,通过硝酸活化及与聚吡咯的复合,并未破坏碳气凝胶的多孔形貌,硝酸活化碳气凝胶及聚吡咯/硝酸活化碳气凝胶都仍然保持着原碳气凝胶的三维纳米多孔结构。采用对照实验的方法,设计并合成五组不同配比的复合材料,聚吡咯与硝酸活化碳气凝胶的质量比例分别为3:1、2:1、1:1、1:2、1:3,通过循环伏安法,恒流充放电,交流阻抗及循环性测试等考察材料的电化学性能。结果证明,当聚吡咯与硝酸活化碳气凝胶比例为1:1时,复合材料显示出最优电化学性能:比电容高达336 F·g^-1,是纯碳气凝胶(103 F·g^-1)的三倍有余,除此还显示出卓越的导电性与循环稳定性, 2000次循环后仍保持初始电容的91%,具备优良的超级电容器电极材料性能。因此聚吡咯/硝酸活化碳气凝胶复合纳米材料是超级电容器的理想电极材料。