氣凝膠的案例
一種用于熱管理的二氧化硅氣凝膠設(shè)計(jì)與制備技術(shù)
來(lái)源 | Advanced Functional Materials
01
背景介紹
氣凝膠是一類納米多孔材料，是最有前途的保溫材料之一。其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其具有高比表面積(SSA)、極高孔隙率、超低密度、低導(dǎo)熱系數(shù)等特性，使氣凝膠在建筑、航空航天、儲(chǔ)能、氣體檢測(cè)、催化、吸附、傳感器和熱管理等領(lǐng)域工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。硅基氣凝膠因其導(dǎo)熱系數(shù)低、熱穩(wěn)定性強(qiáng)而被廣泛用作輕質(zhì)保溫材料，現(xiàn)已顯示出巨大的商業(yè)價(jià)值，有助于減少碳排放。二氧化硅氣凝膠是一種具有超低密度和導(dǎo)熱性的多孔材料，因其優(yōu)異的保溫性能而越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。二氧化硅氣凝膠在絕熱材料中的廣泛應(yīng)用是由于其超低導(dǎo)熱系數(shù)。因此，太陽(yáng)能加熱和輻射冷卻二氧化硅氣凝膠可能在室外環(huán)境中發(fā)揮關(guān)鍵作用，二氧化硅氣凝膠的低導(dǎo)熱系數(shù)可能會(huì)嚴(yán)重阻礙傳導(dǎo)和對(duì)流散熱，但由于其白天的高透明度，太陽(yáng)能加熱可能會(huì)突出，而由于其在夜間的強(qiáng)大輻射冷卻，其本身將成為冷卻器，從而導(dǎo)致與傳統(tǒng)認(rèn)知相反的熱管理行為。因此，如何自適應(yīng)控制二氧化硅氣凝膠的保溫、太陽(yáng)能加熱和輻射冷卻，以獲得按需的二氧化硅氣凝膠熱管理行為仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
02
成果掠影
近期，為了深入探索氣凝膠的熱管理性能，近日，中科院蘇州納米所李清文和王錦等人設(shè)計(jì)合成了系列具有不同光學(xué)性能（包括不同太陽(yáng)光透過(guò)率和中遠(yuǎn)紅外發(fā)射率）的氧化硅氣凝膠，系統(tǒng)研究了自然環(huán)境下氧化硅氣凝膠的熱管理性能。當(dāng)二氧化硅氣凝膠用于熱管理時(shí)，隔熱始終是唯一的考慮因素。本研究揭示了二氧化硅氣凝膠在不同環(huán)境下被動(dòng)保溫、被動(dòng)加熱或被動(dòng)冷卻的按需熱管理(ODTM)。
展開(kāi) 通過(guò)共混紡輔助冷凍鑄造的可定制彈性多功能石墨烯氣凝膠
(e) GA 和 SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠的拉曼光譜。SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠 (f) 縱向和 (g) 橫向的 SEM 圖像。光學(xué)圖像顯示通過(guò) BSFC 策略改性的氣凝膠的（h）超輕和（i）自由成型的宏觀結(jié)構(gòu)。
圖2. (a) SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠沿橫向不同壓縮應(yīng)變（40%、60% 和 80%）時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b) SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠在 50%壓縮應(yīng)變下沿橫向循環(huán) 1000 次的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(c) SiC/CF-GA 氣凝膠壓縮變形機(jī)制示意圖。(d) 演示在使用 SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠的閉合電路中，LED 燈在壓縮和釋放條件下的亮度變化。(e) SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠在0至 11.9千帕工作壓力下的相對(duì)電流變化（ΔI/I0）曲線。(f) SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠傳感器在 80% 壓縮應(yīng)變下壓縮 600 秒之前和之后的相對(duì)電阻變化（ΔR/R0）響應(yīng)。(g) SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠傳感器在以 200 毫米/秒的加載-卸載速度承受階梯式遞增壓力時(shí)的 ΔR/R0 響應(yīng)。(h) SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠傳感器的循環(huán)應(yīng)變傳感行為。(i) SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠傳感器在手指彎曲運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。
圖3. (a) SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠的反射損耗 3D 圖。(b) GA 和 SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠的介電損耗正切。(c) GA 和 SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠厚度為 2.7 毫米時(shí)的阻抗匹配度。(d) SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠石墨烯薄片的元素映射圖像、TEM 圖像和 HRTEM。(e) SiC/CF-GA 氣凝膠的電磁波衰減機(jī)制示意圖。
展開(kāi) 兩次凝膠化策略制備構(gòu)型可編輯的高強(qiáng)度氣凝膠
氣凝膠作為眾所周知的多孔固體納米材料，具有極低密度、超低導(dǎo)熱系數(shù)、高比表面積、強(qiáng)吸附能力等特點(diǎn)，已發(fā)展成為一種理想的材料家族，應(yīng)用于隔熱、儲(chǔ)能、催化、傳感器、環(huán)境修復(fù)等各種新興領(lǐng)域。氣凝膠粉、氣凝膠氈、氣凝膠纖維、氣凝膠膜、氣凝膠單體等結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的氣凝膠已經(jīng)得到了大量的研究，但迫切需要具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的氣凝膠來(lái)突破性能極限，拓展應(yīng)用領(lǐng)域。
受民間藝術(shù)的啟發(fā)，通過(guò)折紙、編織、陶塑等形態(tài)編輯，制作具有復(fù)雜形態(tài)的氣凝膠應(yīng)該是一種可行的方法。然而，由于氣凝膠密度低、力學(xué)性能弱、抗機(jī)械疲勞能力低，無(wú)法進(jìn)行折疊、拉伸、壓縮、變形等多次編輯處理，直接對(duì)其進(jìn)行構(gòu)型編輯無(wú)疑是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。因此，尋找一種間接制備復(fù)雜構(gòu)型氣凝膠的方法是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵。
02
成果掠影
近期，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所張學(xué)同團(tuán)隊(duì)受民間藝術(shù)（陶藝、折紙、編織）啟發(fā)，建立了一種高效的兩次凝膠化(TC)策略，實(shí)現(xiàn)構(gòu)型可編輯高強(qiáng)氣凝膠的制備。本文建立了一種高效的二次凝膠化（TC）策略，實(shí)現(xiàn)構(gòu)型可編輯高強(qiáng)氣凝膠的制備。作為概念驗(yàn)證，選擇芳綸納米纖維(ANFs)和聚乙烯醇(PVA)作為氣凝膠的主要成分，其中PVA在第一次凝膠化過(guò)程中形成彈性的構(gòu)型可編輯凝膠網(wǎng)絡(luò)，ANF在第二次凝膠化過(guò)程中形成構(gòu)型鎖定凝膠網(wǎng)絡(luò)。TC策略保證了所制備的ANF-PVA (AP)氣凝膠既具有高韌性，又具有構(gòu)型編輯能力。綜上所述，通過(guò)軟-硬調(diào)制得到具有特殊構(gòu)型的堅(jiān)韌氣凝膠，為突破氣凝膠的性能限制，拓展氣凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域提供了巨大的機(jī)會(huì)。
展開(kāi) 一種三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)隔熱、防火的生物基氣凝膠
03
圖文導(dǎo)讀
圖1.KF氣凝膠復(fù)合材料的制備工藝及多功能性研究。
圖2.(a)未經(jīng)處理的KF; (b) KF氣凝膠;(c) KF- PVA5和(d) KF-PVA5 - BGP10氣凝膠的SEM圖像;(e) KF、KF- PVA5和KF-PVA5 - BGP10氣凝膠的FTIR光譜;(f) BGP和KF-PVA5-BGP10氣凝膠的核磁共振譜;(g) KF和KF-PVA - BGP氣凝膠孔隙度;(h) BGP和KF-PVA5-BGP10氣凝膠的高分辨的N1sXPS光譜;(i) KF和KF-PVA5 - BGP10氣凝膠的高分辨的C1sXPS光譜。
圖3.(a) KF-PVA和(b)KF-PVA-BGP氣凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(c) KF-PVA5-BGP10試樣在1.5 kg載荷下無(wú)變形圖像;(d)不同KF氣凝膠的抗壓強(qiáng)度及KF-PVA-BGP氣凝膠的各種復(fù)雜形狀;(e) KF-PVA-BGP氣凝膠力學(xué)增強(qiáng)機(jī)理示意圖。
圖4.(a) KF和(b)KF-PVA-BGP氣凝膠樣品導(dǎo)熱圖(c) KF和(d)高度為1.6 cm的KF-PVA5-BGP10氣凝膠在200℃下加熱10min后的側(cè)視圖為彩色熱像;KF-PVA5-BGP10在(e) 50?C， (f) 100?C， (g) 150?C和(h) 200?C的熱板上加熱1,5和10分鐘后，高度為1.6 cm的頂部偽彩色熱圖像;(i)熱階段表面與KF-PVA5-BGP10的溫差(ΔT)曲線。
圖5.
展開(kāi) 
2020年Nature/Science氣凝膠回顧展：世界上最輕的固體材料
有一種材料，雖然是固體，卻無(wú)比輕盈，看起來(lái)好像一股裊裊的藍(lán)煙，如夢(mèng)似幻，這就是目前世界上最輕的固體材料——氣凝膠。
什么是凝膠？
凝膠就是凝聚的膠體，膠體是介于溶液和濁液之間的一種混合物，其顆粒大小在1-100nm之間。膠體的顆粒都帶有同種電荷，因此在一般狀態(tài)下，由于同種電荷相互排斥，這些顆粒無(wú)法碰撞結(jié)合。但是如果在膠體中混入電解質(zhì)，這些顆粒所帶的電荷就會(huì)被電解質(zhì)中帶電粒子的電荷中和，顆粒間不再發(fā)生電荷互斥，而是碰撞結(jié)合，形成凝膠。
什么是氣凝膠？
凝膠中的膠體顆粒相互結(jié)合，但是這些顆粒并不像石榴籽那樣緊密地挨在一起，而是連結(jié)成了空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這樣的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)存在大量的孔洞，而孔洞中又充斥著液體。在不破壞空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的前提下，將這些液體抽離，任氣體充盈在結(jié)構(gòu)周圍，便形成了氣凝膠。
氣凝膠有什么用？
氣凝膠有很多種，如氧化物氣凝膠、有機(jī)炭氣凝膠、碳化物氣凝膠、金屬氣凝膠、多組分氣凝膠等。
二氧化硅（SiO2）氣凝膠是一種非常好的隔熱材料。而且SiO2氣凝膠的折射率接近空氣，使得太陽(yáng)光可以輕易地從中穿過(guò)。憑借這種隔熱透光的特性，SiO2氣凝膠已在太陽(yáng)能利用以及建筑節(jié)能等方面有所應(yīng)用。
全碳氣凝膠具有極強(qiáng)的吸附能力，可吸附自身質(zhì)量最高可達(dá)900倍的有機(jī)溶劑。而且，它的吸附效率也十分驚人，1g全碳氣凝膠每秒鐘便能吸附68.8g的有機(jī)物。全碳氣凝膠的結(jié)構(gòu)韌性也非常優(yōu)良，即便被數(shù)千次壓縮至原體積的20%也可迅速?gòu)?fù)原。
如今，氣凝膠已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，制造出如氣凝膠體育器材、氣凝膠電池、氣凝膠房屋、氣凝膠登山鞋等新型產(chǎn)品。
不過(guò)，要使氣凝膠產(chǎn)品走進(jìn)千家萬(wàn)戶，似乎還需要一些時(shí)間。
展開(kāi) 一種用于熱管理和紅外隱身STA-EGaIn基相變氣凝膠
(a)模擬陽(yáng)光下的A-SC示意圖,(b) sc示意圖,(c) A-SC示意圖,(d) SC的CV曲線,(e) A - CNC/STA-5EGaIn/MoS2氣凝膠和SC在陽(yáng)光照射下的溫度變化,(f) A-SC和純SC在陽(yáng)光照射下的溫度變化,(g) A-SC中SC和SC在太陽(yáng)照射下的升溫速率,(h) SC和A-SC在陽(yáng)光照射下的電容保持量,(i) A-SC在太陽(yáng)照射下的第1、59次CV曲線,(j)太陽(yáng)照射下A-SC的第一次GCD曲線和第35次GCD曲線,(k) A - CNC /STA-5EGaIn/MoS2氣凝膠在A-SC中的吸熱和放熱示意圖。
圖8.(a)復(fù)合材料光熱轉(zhuǎn)化過(guò)程示意圖,(b) cnc氣凝膠、A - CNC氣凝膠、A - CNC/STA-5EGaIn氣凝膠和A - CNC /STA-5EGaIn/MoS2氣凝膠的紫外-可見(jiàn)-近紅外反射光譜,(c) 1 kW m?2下A - CNC /STA-5EGaIn氣凝膠和A - CNC /STA-5EGaIn/MoS2氣凝膠的表面溫度變化曲線,(d) A - CNC /STA-5EGaIn氣凝膠在1 kW m?2和冷卻過(guò)程下的紅外圖像,(e) A - CNC /STA-5EGaIn/MoS2氣凝膠在1 kW m?2和冷卻過(guò)程下的紅外圖像,(f) 1.5 kW m?2下A - CNC /STA5EGaIn氣凝膠表面溫度變化曲線,(g) 2 kW m?2條件下A - CNC/STA-5EGaIn/MoS2氣凝膠表面溫度變化曲線,(h) STA、A - CNC /STA- 5egain氣凝膠和A - CNC /STA- 5egain /MoS2氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)。
圖9.
展開(kāi) 新興碳納米纖維氣凝膠：化學(xué)合成與生物合成
【引言】
氣凝膠是一類多孔輕質(zhì)材料，通常是由溶膠-凝膠方法制得。氣凝膠的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使其具有許多迷人的物理特性，諸如超低密度、高表面積、優(yōu)異的傳質(zhì)性能和低導(dǎo)熱性等。目前包括金屬氧化物、聚合物、碳化物以及金屬等都已經(jīng)能夠用于制備氣凝膠材料，其中基于聚合物的碳氣凝膠尤為重要。碳氣凝膠能夠?qū)崿F(xiàn)高反應(yīng)表面積和通向這種表面?zhèn)鬏斅窂降睦硐虢M合，因而在非均相催化劑載體、吸附劑、絕緣材料以及電極材料等方面具有重要的應(yīng)用前景。近年來(lái)，碳納米管和石墨烯的發(fā)現(xiàn)極大地促進(jìn)了聚合物基碳氣凝膠的發(fā)展和應(yīng)用。碳納米管和石墨烯氣凝膠都可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積和分散體系凝膠化的方法來(lái)進(jìn)行制備，但是前驅(qū)體昂貴以及合成需要涉及復(fù)雜設(shè)備限制了這些氣凝膠的實(shí)際應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)更簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)的途徑（例如利用碳水化合物、纖維素以及蛋白質(zhì)等可再生資源為原料）來(lái)制備納米碳氣凝膠成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。
【成果簡(jiǎn)介】
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏教授（通訊作者）在Angew. Chem. Int. Ed. 上發(fā)表了題為“Emerging Carbon Nanofiber Aerogels: Chemosynthesis versus Biosynthesis”的綜述文章，集中闡述了新興碳納米纖維氣凝膠的化學(xué)合成與生物合成方法。首先展示了如何通過(guò)化學(xué)合成和生物合成的方法來(lái)制備碳納米纖維（CNF）氣凝膠，然后討論了兩種制備CNF氣凝膠方法的合成特點(diǎn)，集中在結(jié)構(gòu)和功能的多樣性以及CNF氣凝膠的物理化學(xué)性質(zhì)和潛在應(yīng)用。此外，作者還展示了基于可再生前驅(qū)體的CNF氣凝膠與CNT和石墨烯氣凝膠相比在諸多應(yīng)用中具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
展開(kāi) 《ACS AMI》成都信工大李賀：B,N 摻雜 PdRu 氣凝膠靈敏檢測(cè)葡萄糖
B、N-PdRu 氣凝膠 (A) 的 XPS 全掃描。與 B、N-Ru 氣凝膠和 B、N-Pd 氣凝膠相比，B、N-PdRu 氣凝膠的 B 1s(B)、Ru 3p (C) 和 Pd 3d (D) 的高分辨率光譜分析。(F) B、N-PdRu 氣凝膠的 N1s 的 XPS 光譜。(E) B、N-PdRu 氣凝膠、B-PdRu 氣凝膠、B、N-Pd 氣凝膠和 B、N-Ru 氣凝膠的 XRD 模式。
圖 4. 不同反應(yīng)體系的紫外可見(jiàn)吸收光譜
：B，N-PdRu氣凝膠 + H2O2 + TMB；B，N-PdRu 氣凝膠+ TMB、H2O2+ TMB 和 TMB (A)。N-PdRu氣凝膠 + H2O2+ TMB；B-PdRu氣凝膠 + H2O2+ TMB；PdRu氣凝膠 + H2O2+ TMB；B，N-PdRu氣凝膠+ H2O2和 B，N-Ru 氣凝膠 + H2O2+ TMB的紫外可見(jiàn)吸收光譜(B)。B，N-PdRu氣凝膠在 10–60 °C (C) 的溫度梯度、pH = 2–9 (D) 下的 UV-vis 吸收光譜。不同反應(yīng)體系的熒光光譜：TA，H2O2+ TA，B，N-PdRu氣凝膠+ TA，B，N-PdRu氣凝膠+ H2O2+ TA (E)。H2O2, B, N-PdRu 氣凝膠 + H2O2和 B, N-PdRu 氣凝膠的EPR 測(cè)定(F)。
圖 6. B，N-PdRu氣凝膠氣凝膠對(duì)各種葡萄糖濃度 (A) 的 UV-vis 吸收光譜和對(duì)葡萄糖 (B) 的校準(zhǔn)曲線的相應(yīng)檢測(cè)。選擇性檢測(cè)類似物：葡萄糖與果糖、蔗糖、乳糖、麥芽糖的終濃度比為1:5（C）。本方法的干擾測(cè)量（D）。
展開(kāi) 清華庹新林/北化邱藤：改性凍干法宏觀制備芳綸納米纖維氣凝膠
(f) PANF 氣凝膠。(g) 大尺寸 (220 mm × 150 mm × 40 mm) 的 PANF 氣凝膠。（h）不同形狀的PANF氣凝膠。左，埃菲爾鐵塔；對(duì)，中國(guó)石獅。(i) 涂有 PANF 氣凝膠的不同材料。從
左到右：
PS管、金屬管、石英管。
圖
2. 不同氣凝膠的宏觀形態(tài)和典型的 SEM 圖像。
圖
3.
(a) 不同 PANF 氣凝膠樣品的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b) PANF 氣凝膠和報(bào)道的芳綸氣凝膠的熱導(dǎo)率 (25 °C)。KNA氣凝膠；KNF 氣凝膠；層壓氣凝膠（徑向）；PPTA氣凝膠；PA氣凝膠。(c) PA-20、PA-40 和其他氣凝膠的熱導(dǎo)率和比壓縮強(qiáng)度。PAN/BA-a/SiO
2
；近場(chǎng)通信；PVA-co-PE；自動(dòng)柜員機(jī)；PVA/CNF/GONS；CNF/硅；
G
A；
C
SG；注意：選擇的氣凝膠的密度范圍為 9.6-42.0 mg/cm
3
，所有應(yīng)力均
在
70% 的應(yīng)變下進(jìn)行。(d) PANF 氣凝膠和 Kevlar 29 的 TGA 和 DTA 曲線。
圖
4. PANF 氣凝膠的隔熱和減震應(yīng)用。
【總結(jié)】
基于
PANF水凝膠的改良凍干法成功制備了密度可調(diào)且性能優(yōu)異的PANF氣凝膠。在-18°C條件下冷凍，然后在20-150°C下干燥，PANF水凝膠成功轉(zhuǎn)化為PANF氣凝膠。PANF框架和冰晶的分離效果保證了該過(guò)程中的形狀穩(wěn)定性。利用該方法的簡(jiǎn)單性和制備過(guò)程中PANF氣凝膠的收縮率可控，成功制備了大尺寸或各種形狀的PANF氣凝膠以及PANF氣凝膠涂層物體。該方法也足夠靈活，PANF%和干燥溫度作為兩個(gè)工藝參數(shù)，可以很容易地調(diào)整以制備不同密度的PANF氣凝膠。
展開(kāi) 《Materials Advances》：南洋理工大制備高效、可循環(huán)油水分離的3D多孔MoS2–PVP氣凝膠
還在過(guò)程中觀察到鏡面反射（圖3d），說(shuō)明氣凝膠和周圍水之間形成了新的界面，這進(jìn)一步證實(shí)了3D MoS2-PVP氣凝膠的疏水性。
圖3（a）站在花面上的3D MoS2-PVP氣凝膠的照片。（b）3D MoS2-PVP氣凝膠WCA的照片。（c）具有不同濃度的MoS2的3D MoS2-PVP氣凝膠的WCA 。（d）鏡面反射的照片。
3D MoS2-PVP氣凝膠具有良好的疏水性和出色的機(jī)械穩(wěn)定性，是去除各種油脂和有機(jī)溶劑的理想吸附材料之一。如圖4a，將3D MoS2-PVP氣凝膠放在油水混合物的表面時(shí)，它可以完全而迅速地吸收油。此外， 3DMoS2-PVP氣凝膠對(duì)各種油和有機(jī)溶劑具有出色的吸附能力，可吸收高于自身重量195至649倍于的溶劑（圖4b）。
圖4 3D MoS2-PVP氣凝膠的吸收性能。（a）3D MoS2-PVP氣凝膠吸收的照片及對(duì)各種有機(jī)溶劑和油的吸附能力（b）。
3D MoS2-PVP氣凝膠的吸附能力高于以前報(bào)道的吸附材料，如片狀石墨（60-90倍），碳納米管海綿（80–180倍），石墨烯海綿（60–160倍），還原型氧化石墨泡沫（5–40倍）。制備3D MoS2-PVP氣凝膠的方法相對(duì)簡(jiǎn)單，其前體相對(duì)便宜。因此，作者認(rèn)為，該氣凝膠是最有前途的環(huán)境修復(fù)吸附劑。
油水分離的關(guān)鍵是污染物的可回收性，因?yàn)榇蠖鄶?shù)污染物都含有有價(jià)值和有害的物質(zhì)。兩種典型的回收污染物的方法是擠壓和蒸餾。被3D MoS2-PVP氣凝膠吸收的十八烯可以通過(guò)擠壓回收。當(dāng)釋放壓力時(shí)，氣凝膠可以恢復(fù)到其原始形狀（圖5a）。3D MoS2-PVP氣凝膠的吸收-壓縮循環(huán)過(guò)程中保持良好的結(jié)構(gòu)，在30個(gè)循環(huán)后，仍保持93.5％的吸附能力（圖5b），和92.9％的吸附能力（圖5c），表明其良好的可回收性。因此，該氣凝膠可通過(guò)擠壓、蒸餾或兩種方法的組合用于去除污染物。
展開(kāi) 一種用于熱管理的多功能纖維素/碳復(fù)合氣凝膠材料
來(lái)源 | Materials Today Communications
01
背景介紹
氣凝膠具有密度小、孔隙率高、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點(diǎn)，是一種理想的保溫材料。環(huán)境與資源的矛盾也要求利用可再生資源開(kāi)發(fā)氣凝膠。纖維素基氣凝膠除了具有傳統(tǒng)氣凝膠的優(yōu)點(diǎn)外，還具有生物相容性、環(huán)境友好性和可生物降解性，是最豐富的天然可再生資源，是一種受歡迎的可持續(xù)保溫材料。盡管許多研究取得了令人滿意的結(jié)果，但提高纖維素基氣凝膠的機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和多功能性仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。對(duì)不同制備方法的纖維素氣凝膠進(jìn)行了一些研究報(bào)道，但在上述研究中，纖維素氣凝膠的功能僅限于保溫，而纖維素固有的低導(dǎo)電性限制了其作為多功能氣凝膠的應(yīng)用。作為另一種重要的氣凝膠材料，碳基氣凝膠可以抑制骨架和孔隙中固體和氣體的熱傳導(dǎo)，減少輻射傳熱，使其具有超低密度、高熱穩(wěn)定性和良好的導(dǎo)電性。但熱管理性能，包括焦耳加熱和光熱性能，在這些工作中很少討論。
02
成果掠影
近期，大連理工大學(xué)王海針對(duì)用于熱管理的可再生的氣凝膠多功能材料取得最新進(jìn)展。近期，大連理工大學(xué)王海針對(duì)用于熱管理的可再生的氣凝膠多功能材料取得最新進(jìn)展。該文將羧化纖維素納米纖維(CCNF)與碳納米管(CNT)、氧化石墨烯(GO)或碳纖維(CF)通過(guò)定向冷凍法制備了一系列纖維素和納米碳復(fù)合氣凝膠。雙向冷凍的CCNF/納米碳氣凝膠由于水平和垂直溫度梯度誘導(dǎo)的橋結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出更高的抗壓強(qiáng)度。同時(shí)，雙向冷凍的CCNF/碳氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)也低至0.0308 W/(mK)；煅燒后增大至0.0388 W/(mK)。CCNF基質(zhì)中分散的線性碳材料CF和碳納米管導(dǎo)致了CCNF/納米碳氣凝膠的熱電、焦耳加熱和光熱性能，煅燒也促進(jìn)了這些性能。
展開(kāi) 
不列顛哥倫比亞大學(xué)姜鋒團(tuán)隊(duì)《AFM》：“雙冰模板”組裝的多功能超彈性納米纖維素氣凝膠
MTMS-CNF氣凝膠的疏水和吸油特性：（a）各種有色水溶液（亞甲基藍(lán)、醋、咖啡、醬油、重鉻酸鉀和甲基橙）和氯仿（用甲基紅染色以增強(qiáng)視覺(jué)對(duì)比）沉積在MTMS-CNF 氣凝膠表面；（b）MTMS-CNF氣凝膠表面不同時(shí)間段的水接觸角照片，以及接觸角隨時(shí)間演變圖；（c）從水底選擇性吸收氯仿（用甲基紅染色）；（d）MTMS-CNF氣凝膠自清潔性能的屏幕截圖，顯示傾角為 20°的水可以清除氣凝膠表面的灰塵；（e）MTMS-CNF 氣凝膠對(duì)不同類型的油和有機(jī)溶劑的吸附圖。
圖4. 壓縮條件下超彈性CNF氣凝膠的機(jī)械性能：（a）不同初始濃度的CNF氣凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）楊氏模量（橙色）和屈服應(yīng)力（藍(lán)色）；（c）0.2% 超彈CNF氣凝膠在40% 最大應(yīng)變下的循環(huán)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線（加載和卸載速率為50 mm/min）；（d）0.2% 超彈 CNF氣凝膠在40%應(yīng)變和能量損失系數(shù)曲線圖（1-50 次循環(huán)）；（e）超彈性氣凝膠在200 g重量下的壓縮-回彈照片；（f）0.2% CNF 氣凝膠浸入液氮中具有優(yōu)異的彈性，從超過(guò) 80% 的應(yīng)變中瞬時(shí)恢復(fù)形狀。
圖5. 超彈CNF氣凝膠的熱性能：（a）不同CNF初始濃度下氣凝膠的熱導(dǎo)率；0.2% CNF氣凝膠（高度：8 mm）在（b）加熱板上和（c）冰上的溫度-時(shí)間曲線（黑色虛線代表室溫；大紅點(diǎn)代表熱板上氣凝膠的表面溫度；大藍(lán)點(diǎn)代表冰上氣凝膠的表面溫度；橙色三角形代表熱板或冰的溫度）；（d）0.2% CNF 氣凝膠（高度：19 mm）在150 分鐘內(nèi)在加熱板上的紅外圖像。
展開(kāi) 一種具有優(yōu)異力學(xué)性能的氣凝膠纖維隔熱材料
來(lái)源 | ACS Nano
01
背景介紹
氣凝膠纖維是一類典型的新材料，由于其具有高孔隙率、低導(dǎo)熱性和低密度等優(yōu)異特性，近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注。這些特性為納米多孔氣凝膠纖維在隔熱、可穿戴織物、電磁屏蔽、傳熱裝置等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了廣闊的前景。但是，高孔隙率使得納米多孔氣凝膠纖維本能地表現(xiàn)出較差的力學(xué)性能。然而，要克服納米多孔氣凝膠纖維因其高孔隙率而帶來(lái)的脆弱力學(xué)特性，以便賦予其卓越的強(qiáng)度和高韌性，仍然是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)性的難題。通過(guò)定向致密化和碳化，具有優(yōu)先構(gòu)建塊取向的層狀芳綸納米纖維/碳納米管雜化氣凝膠膜的機(jī)械強(qiáng)度和電導(dǎo)率都得到了顯著提高此外，相對(duì)于孔隙隨機(jī)分布的纖維素氣凝膠，具有高各向異性的纖維素塊狀氣凝膠經(jīng)定向冷凍干燥后的力學(xué)性能得到了顯著提高。因此，納米多孔氣凝膠纖維的納米結(jié)構(gòu)取向排列可能是獲得更好的力學(xué)性能的有效途徑。
02
成果掠影
近期，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張學(xué)同研究員針對(duì)要克服納米多孔氣凝膠纖維因其高孔隙率而帶來(lái)的脆弱力學(xué)特性的問(wèn)題取得最新進(jìn)展。該文報(bào)道了超韌氣凝膠纖維(SAFs)最初是由離子液體解離纖維素通過(guò)濕紡絲和超臨界干燥順序開(kāi)始制備的。所制得的纖維素納米多孔氣凝膠纖維具有卓越的性能，包括高比表面積(372 m2 /g)、良好的機(jī)械強(qiáng)度(30 MPa)和高伸長(zhǎng)率(107%)。得益于其高強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，合成的纖維素納米多孔氣凝膠纖維顯示出高達(dá)21.85 MJ/m3的超高韌性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于文獻(xiàn)中已知的氣凝膠材料。
展開(kāi) 一種用于個(gè)人熱管理的氣凝膠纖維織物
新興的氣凝膠纖維/織物繼承了氣凝膠的三維多孔結(jié)構(gòu)和纖維的柔韌性，以其輕質(zhì)、高孔隙率和多集成功能在智能溫控紡織品中顯示出巨大的潛力。高孔隙結(jié)構(gòu)可以使氣凝膠纖維具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)(23-50 mW/mK)，極大地抑制了熱損失。因此，氣凝膠纖維及其復(fù)合織物在個(gè)人熱管理方面顯示出巨大的潛力。
目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了幾種具有不同功能的氣凝膠纖維，與其他有機(jī)或無(wú)機(jī)氣凝膠纖維相比，PI氣凝膠纖維具有良好的耐溫性和優(yōu)異的力學(xué)性能，在大范圍溫度下的熱管理紡織品中顯示出相當(dāng)大的潛力。然而，目前所有策略都需要在紡絲后進(jìn)行后處理，如超臨界干燥或冷凍干燥，以保持氣凝膠纖維的高度多孔結(jié)構(gòu)，這是費(fèi)時(shí)且成本高的。通過(guò)常壓干燥快速制備PI氣凝膠纖維仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
通常，氣凝膠纖維是通過(guò)噴絲管擠出、溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變和超臨界/冷凍干燥工藝制備的。溶膠-凝膠過(guò)程對(duì)于形成典型的三維多孔氣凝膠結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。制備連續(xù)氣凝膠纖維存在溶膠-凝膠過(guò)渡和干燥兩個(gè)主要障礙。高性能氣凝膠纖維的高通量制備面臨以下挑戰(zhàn)：(1)實(shí)現(xiàn)紡絲溶液的快速動(dòng)態(tài)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變；(2)構(gòu)建高強(qiáng)度凝膠骨架并有效避免骨架在干燥過(guò)程中坍塌。
02
成果掠影
近日，江南大學(xué)劉天西和樊瑋團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種快速和可擴(kuò)展的交聯(lián)聚酰亞胺(CPI)氣凝膠纖維的制造策略。該方法是通過(guò)濕紡絲和紫外線增強(qiáng)動(dòng)態(tài)凝膠策略進(jìn)行環(huán)境壓力干燥。該策略使光敏聚酰亞胺的溶膠-凝膠快速轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生強(qiáng)交聯(lián)凝膠骨架，有效地保持纖維形狀和多孔納米結(jié)構(gòu)。該方法可在7 h內(nèi)連續(xù)生產(chǎn)出長(zhǎng)度達(dá)數(shù)百米的高比模量(390.9 kN m/kg)的CPI氣凝膠纖維，比以往的方法(>48 h)效率更高。此外，CPI氣凝膠織物的隔熱性能與羽絨幾乎相同，但厚度約為羽絨的1/8。
展開(kāi) 《AEM》馬里蘭大學(xué)：金屬離子誘導(dǎo) MXene 氣凝膠組裝，用于電磁干擾屏蔽、電容去離子和微型超級(jí)電容器
圖2
用于可擴(kuò)展制造無(wú)粘合劑
MXene 氣凝膠的仿生 MXene 組裝平臺(tái)。
a) 通過(guò)仿生 MXene 組裝平臺(tái)和Mg
2+
誘導(dǎo)的凝膠化可擴(kuò)展制造 Mg
2+
-MXene 氣凝膠的示意圖。b)沉積在 CT-MXene 涂層上的厚而均勻的 Mg2+-MXene 水凝膠的數(shù)碼照片。c)比較使用刨刀和 CT-MXene 涂層獲得的 Mg
2+
-MXene 水凝膠。d) Mg
2+
-MXene 氣凝膠的 SEM 圖像以及 Ti 和 Mg 元素的 EDX 映射。e) Mg
2+
-MXene 氣凝膠的 SEM 圖像。f）原始MXene薄膜、Mg
2+
-MXene氣凝膠和酸洗MXene氣凝膠的XRD圖譜。g) 原始 MXene 薄膜、Mg
2+
-MXene 氣凝膠和酸洗 MXene 氣凝膠的 Mg 2p 光譜。h) 原始 MXene 薄膜、Mg
2+
-MXene 氣凝膠和酸洗 MXene 氣凝膠的 O 1s 光譜。i) 原始 MXene 薄膜、原始 MXene 氣凝膠、Mg
2+
-MXene 氣凝膠和酸洗 MXene 氣凝膠的 BET 等溫線。
圖3
具有多功能性的大面積
Mg
2+
-MXene 氣凝膠的可擴(kuò)展制造。
a）大面積Mg
2+
-MXene氣凝膠可擴(kuò)展制造的數(shù)碼照片。b) EMI 屏蔽機(jī)制的示意圖。c) 原始 MXene 薄膜、原始 MXene 氣凝膠和 Mg
2+
-MXene 氣凝膠的 EMI 屏蔽性能。d) CDI 過(guò)程的示意圖。原始 MXene 薄膜和 Mg
2+
-MXene 氣凝膠的 CDI 性能在 1000 mg mL
-1
NaCl 溶液中根據(jù) e) NaCl 溶液的電導(dǎo)率變化和 f) 電極的相應(yīng)電流變化進(jìn)行測(cè)量。
展開(kāi) 