二氧化硅氣凝膠的案例
一種用于熱管理的二氧化硅氣凝膠設計與制備技術
來源 | 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。其獨特的結構使其具有高比表面積(SSA)、極高孔隙率、超低密度、低導熱系數等特性，使氣凝膠在建筑、航空航天、儲能、氣體檢測、催化、吸附、傳感器和熱管理等領域工業領域得到了廣泛的應用。硅基氣凝膠因其導熱系數低、熱穩定性強而被廣泛用作輕質保溫材料，現已顯示出巨大的商業價值，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熱性的多孔材料，因其優異的保溫性能而越來越受到學術界和工業界的關注。二氧化硅氣凝膠在絕熱材料中的廣泛應用是由于其超低導熱系數。因此，太陽能加熱和輻射冷卻二氧化硅氣凝膠可能在室外環境中發揮關鍵作用，二氧化硅氣凝膠的低導熱系數可能會嚴重阻礙傳導和對流散熱，但由于其白天的高透明度，太陽能加熱可能會突出，而由于其在夜間的強大輻射冷卻，其本身將成為冷卻器，從而導致與傳統認知相反的熱管理行為。因此，如何自適應控制二氧化硅氣凝膠的保溫、太陽能加熱和輻射冷卻，以獲得按需的二氧化硅氣凝膠熱管理行為仍然是一個挑戰。
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計合成了系列具有不同光學性能（包括不同太陽光透過率和中遠紅外發射率）的氧化硅氣凝膠，系統研究了自然環境下氧化硅氣凝膠的熱管理性能。當二氧化硅氣凝膠用于熱管理時，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境下被動保溫、被動加熱或被動冷卻的按需熱管理(ODTM)。
展開 文獻速覽第4期-隔熱保溫氣凝膠材料
總結：該文研究揭示了二氧化硅氣凝膠在不同環境下被動保溫、被動加熱或被動冷卻的按需熱管理（ODTM）。二氧化硅氣凝膠的ODTM行為可以簡單地通過其光學性質的變化來實現，例如太陽光透明度和紅外發射率，這些變化可以通過構建塊的微觀結構和表面成分設計來控制。該研究指導了對二氧化硅氣凝膠熱管理行為的全面理解，并通過調整二氧化硅氣凝膠的光學和導熱性能，導致二氧化硅氣凝膠的ODTM應用。
抽象：Silica aerogels, a type of porous material featuring extra low density and thermal conductivity, have drawn increasing interest from both academia and industry owing to their excellent thermal insulation performance. However, thermal insulation is always the single consideration when silica aerogels are used for thermal management. In this study, the on-demand thermal management (ODTM) of silica aerogel with either passive thermal insulation, passive heating, or passive cooling in different environments is revealed.
展開 東華丁彬/武大鄧紅兵《ACS Nano》蘆葦葉啟發的二氧化硅納米纖維氣凝膠，用于耐鹽太陽能海水淡化
最近，
東華大學
丁彬研究員
、
武漢大學
鄧紅兵教授
科研團隊
受蘆葦葉的血管組織結構、蒸騰作用和防污功能的啟發，該團隊設計了具有平行排列的血管和疏水表面的仿生分層納米纖維氣凝膠，用于高效和耐鹽的太陽能海水淡化。
可折疊的血管壁和柔軟的二氧化硅納米纖維
使受蘆葦葉啟發的納米纖維
氣凝膠
(R-NFAs) 具有優異的機械性能，并使它們能夠承受反復壓縮
。此外，R-NFAs 可以有
效地吸收陽光（
光吸收效率：
94.8%
）并將鹽水蒸發成蒸汽，類似于蘆葦葉（
蒸發率：1
個
太陽下 1.25 kg m
–2
h
–1
）。更重要的是，通過疏水表面和平行排列的容器，R-NFAs 可以在高強度光（高達6
個
太陽光）下在高濃度鹽水
（飽和，26.3 wt%）
中穩定工作，表現出強大的耐鹽性。
預計具有組合抗鹽孔和表面結構的 R-NFA 將為抗鹽太陽能海水淡化提供設計概念。
相關論文以題為
Reed Leaves Inspired Silica Nanofibrous Aerogels with Parallel-Arranged Vessels for Salt-Resistant Solar Desalination
發表在《
ACS
Nano
》上。
主圖
圖
1.
(a) 傳統太陽能蒸發器的光吸收、水傳輸、蒸汽產生和鹽結晶。(b) 蘆葦葉的微觀結構和疏水性。(c) 蘆葦葉的光吸收、水傳輸、蒸汽產生和耐鹽性啟發了納米纖維氣凝膠（R-NFA）。
圖
2.
(a) R-NFAs 制造過程示意圖。
展開 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，卻無比輕盈，看起來好像一股裊裊的藍煙，如夢似幻，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，因此在一般狀態下，由于同種電荷相互排斥，這些顆粒無法碰撞結合。但是如果在膠體中混入電解質，這些顆粒所帶的電荷就會被電解質中帶電粒子的電荷中和，顆粒間不再發生電荷互斥，而是碰撞結合，形成凝膠。
什么是氣凝膠？
凝膠中的膠體顆粒相互結合，但是這些顆粒并不像石榴籽那樣緊密地挨在一起，而是連結成了空間網狀結構。這樣的空間網狀結構存在大量的孔洞，而孔洞中又充斥著液體。在不破壞空間網狀結構的前提下，將這些液體抽離，任氣體充盈在結構周圍，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，使得太陽光可以輕易地從中穿過。憑借這種隔熱透光的特性，SiO2氣凝膠已在太陽能利用以及建筑節能等方面有所應用。
全碳氣凝膠具有極強的吸附能力，可吸附自身質量最高可達900倍的有機溶劑。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的有機物。全碳氣凝膠的結構韌性也非常優良，即便被數千次壓縮至原體積的20%也可迅速復原。
如今，氣凝膠已被廣泛應用于許多領域，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品。
不過，要使氣凝膠產品走進千家萬戶，似乎還需要一些時間。
展開 
綜述 \\ 硅基氣凝膠隔熱材料的研究進展-2
例如，Wu發現，隨著Al/Si摩爾比的增加，SiO2-Al2O3氣凝膠的形貌可能從連接的球形顆粒轉變為納米級的纖維顆粒和網狀微觀結構(見圖15)，其直徑不同。
圖15.SiO2-Al2O3復合氣凝膠的生長機理示意圖。
由于各組分之間的協同作用，多組分SA-TIMs可以充分利用各組分網絡，獲得更好的理化性能。例如，具有三維納米互穿網絡的二氧化硅氣凝膠和二氧化硅/纖維素氣凝膠具有高強度、高剛性、低導熱性和穩定的微觀結構。Yu等人提出了一種新的合成策略，用于苯酚-甲醛(PFR)樹脂與SA的共聚和納米級相分離，展示了一個二元網絡結構(見圖16)，其結構域尺寸小于20 nm。PFR/SA復合材料具有優異的保溫、防火和阻燃性能，可承受60%的壓縮而不破裂。
圖16.具有二元網絡結構的PFR/SA復合氣凝膠示意圖。
上述多相摻雜、共形包覆和多組分SA-TIMs都有其獨特的缺陷。例如，短纖維增強SA-TIMs的強度和韌性普遍較低，而長纖維或纖維氈增強SA-TIMs的結構穩定性較差。Zhao等人提出了一種通過在納米纖維素支架(NFCS)內形成互穿二氧化硅網絡來制造堅固的聚合物/SA復合材料的新途徑(見圖17)。與純SA相比，通過該策略制備的最佳SA-TIMs壓縮模量和最大強度分別提高了55%和126%，同時導熱系數保持在17.5mW/(m?K)的低水平。
圖17.生物基聚合物- SA復合材料的制備工藝。
展開 《ACS Nano》：超低密度納米纖維氣凝膠，超強的空氣/污水凈化能力
背景介紹
氣凝膠自從1931年首次提出以來就因其卓越的特性而受到關注，如超高表面積（低至100 m2g –1），超低導熱率（低至12 Mw M –1 K –1）和超低體積密度（1.2×10 –4 g cm –3）。目前，由二氧化硅制備的氣凝膠已經成功地商業化，全球市場每年增長。由其他材料（粘土、石墨烯、碳納米管以及這些材料與二氧化硅的復合材料）制備的氣凝膠正在研究中，并有望在未來使用。相比之下，由可生物降解材料（尤其是天然生物材料）制備的氣凝膠由于其性能（可持續性、無毒性、表面易變性、組織再生性）以及在食品、空氣/水凈化中的潛在應用而受到關注。然而，天然生物材料氣凝膠的制造面臨挑戰，如，由纖維素制備的氣凝膠具有相對較低的機械強度，涉及有機溶劑和有毒化學物質。
氣凝膠的性質主要取決于前體的濃度和形式以及所用交聯的類型。具有超低密度的氣凝膠必須滿足以下幾個標準：（i）溶液中的前驅物濃度低；（ii）建立3D網絡的多孔結構；（iii）流體去除過程中的穩定性而不破壞結構；（iv）前體之間的交聯。由交聯分子前體組成的氣凝膠在基質中保持孔結構具有挑戰性。為了應對這一挑戰，納米和微米大小的顆粒通常在氣凝膠制造過程中用作致孔劑，以增加孔徑/孔隙率，降低密度。但是，在這些材料的制備過程中，諸如異質粒度分布，機械強度損失以及熱傳導和耗散之類的問題仍然是挑戰。
基于此，美國塔夫茨大學報告了一種溶劑焊接方法，通過苯乙醇（PEA）交聯凍干的絲納米纖維（SNF）3D網絡，形成低密度的氣凝膠。PEA是一種芳香族醇，通常用作食品和化妝品中的防腐劑和香料成分，無毒性，被用作焊接溶劑。
展開 ：一種在4 K超低溫條件下具有超彈性的負泊松比共價交聯聚酰亞胺氣凝膠
盡管已經報道的石墨烯氣凝膠、氮化硼氣凝膠、二氧化硅納米纖維氣凝膠等在超低溫環境下表現出良好的彈性，但是相對于聚合物而言，其制備工藝仍然較為復雜的，成本也較高。
針對這一挑戰，復旦大學葉明新/沈劍鋒課題組從化學結構和微觀形貌兩方面進行設計（圖1），提出了DMSO冰晶輔助的定向冷凍凝膠和冷凍干燥工藝（DMSO-FGFD），制備了一種具有化學交聯結構、有序形貌和負泊松比的超彈性聚酰亞胺（PI）氣凝膠。
圖1：超彈性PI氣凝膠的化學結構與形貌設計
采用DMSO為溶劑是獲得共價交聯結構PI氣凝膠的關鍵。傳統PI彈性氣凝膠的制備通常采用水溶性聚酰胺酸鹽為前驅體，再定向冷凍干燥和熱亞胺化工藝得到。該工藝面臨前驅體在水中降解，氣凝膠的體積收縮率大，以及流程復雜等問題。這項研究工作中提出以DMSO為溶劑，采用化學亞胺化工藝，以TAB為交聯劑，在定向冷凍凝膠過程中，通過體積排除效應實現原位化學交聯（圖2a，b），然后進行冷凍干燥獲得具有共價交聯結構的PI彈性氣凝膠（圖2c）。由于DMSO對多種聚合物具有良好的溶解性，這使得制備定向結構聚合物氣凝膠不再受限于“水溶性”聚合物，可進一步拓展到如PVDF、PAN、PA等聚合物，具有一定的普適性。
圖2：（a）原位凝膠化過程示意圖；（b）凝膠化前后PI的性狀對比；（c）利用真空冷凍干燥顯微鏡原位觀察PI/DMSO的冷凍干燥過程。
DMSO-FGFD工藝制備得到的PI氣凝膠具有低的體積收縮率（3.1%）、低密度（6.1 mg/cm3）以及高達99.57%的孔隙率（圖3a-c）。
展開 氣凝膠相變隱身復合材料！
中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張學同研究員領導的氣凝膠團隊制備了一種具有高孔隙率（ 98% ）和高比表面積（ 365.99 m 2 /g ）的柔性氣凝膠薄膜，通過溶解杜邦 TM 的 Kevlar 獲得納米纖維溶膠，再經刮刀涂布、溶膠 - 凝膠及后續的冷凍干燥過程獲得 Kevlar 氣凝膠薄膜。該氣凝膠具有優異的隔熱性能，室溫環境下，熱導率約為 0.036 W/m K ， 200μm 厚的氣凝膠薄膜覆蓋在 300°C 的熱源上，氣凝膠表面溫度僅為 220°C ，溫差達到了 80°C 。 與 相變材料聚乙二醇復合并進行疏水化處理，制備出氣凝膠 / 相變復合薄膜，該相變復合薄膜：（ 1 ）相變焓高達 179.1 J/g ；（ 2 ）紅外發射率與多數環境背景匹配；（ 3 ）在 3μm-15 μm 紅外波段具有超低紅外透過率。在室外環境（如光照）下，用該復合薄膜覆蓋無發熱物體，可實現紅外隱身。對持續發熱物體（比如發動機），提出了氣凝膠隔熱層與相變復合薄膜疊加的組合結構： Kevlar 氣凝膠薄膜具有優異的隔熱性能，根據目標與環境之間的溫度差異，選擇合適層數或者厚度的氣凝膠層，可將溫度降低至與環境溫度匹配；相變復合薄膜具有低紅外透過率，高溫目標發射的紅外光無法透過。因而覆蓋這種組合結構的高溫目標在紅外照片中也能實現紅外隱身。
根據使用場景，選用匹配的氣凝膠 / 相變復合薄膜，或者組合結構，即可實現紅外隱身，如圖 1 所示。相關研究成果以 “Nanofibrous Kevlar Aerogel Films and Their Phase Change Composites for Highly Efficient Infrared Stealth” 為題，已在線發表于國際期刊《 ACS Nano 》（ ACS Nano 2019,13, 2236 ？
展開 綜述 \\ 硅基氣凝膠隔熱材料的研究進展-1
01
SA-TIMs的特點、發展歷史、制備過程及設計原則
1.1 特征
純SA是一種納米多孔聚合物材料(見圖2)，以連接的二氧化硅顆粒(1~5 nm)為骨架，通過氣體在其整個體積中膨脹，具有高孔隙率(85~99.8%)，極小孔隙(~20 nm)形成的三維連續網絡。一方面，這種特殊的納米孔網絡結構顯著降低了SA的氣固熱傳導，使純SA的導熱系數處于0.01~0.03W/(m?K)的顯著低值。但是為了擴大SA-TIMs的適用性，需要克服該材料的缺點，如粉塵釋放、耐久性差、體積收縮、加工時間長、成本過高等。幸運的是，SA在制備過程中具有靈活的化學性質和較強的可設計性:(1)其形狀、成分、表面官能團和孔結構可以精細定制;(2)任何材料以及不同材料的組合都可以嵌入到SA基體中。一般情況下，在SA基體中加入一些第二相材料(SPMs)，如粉末和纖維，以抑制輻射導熱性，提高機械強度。到目前為止，SA-TIMs的力學性能、導熱系數、表面性質以及相關的生產成本都可以根據其實際需求通過相關技術進行有效的定制。
圖2.SA的微觀結構。
1.2 發展歷史
圖3顯示了SA-TIMs的發展歷程。1931年，Samuel Stephens Kistler發現了第一個氣凝膠，即SA。Kistler的方法也適用于其它氣凝膠的制備，如氧化鋁、氧化鎢、氧化鐵、氧化錫、酒石酸鎳、纖維素、硝酸纖維素、明膠、瓊脂、橡膠氣凝膠等。然而，這一過程繁瑣且耗時，直到1968年S. J. Teichner及其同事重新發現氣凝膠后，人們才對氣凝膠領域產生了興趣。
展開 一種用于個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構和纖維的柔韌性，以其輕質、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。高孔隙結構可以使氣凝膠纖維具有較低的導熱系數(23-50 mW/mK)，極大地抑制了熱損失。因此，氣凝膠纖維及其復合織物在個人熱管理方面顯示出巨大的潛力。
目前，已經開發了幾種具有不同功能的氣凝膠纖維，與其他有機或無機氣凝膠纖維相比，PI氣凝膠纖維具有良好的耐溫性和優異的力學性能，在大范圍溫度下的熱管理紡織品中顯示出相當大的潛力。然而，目前所有策略都需要在紡絲后進行后處理，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構，這是費時且成本高的。通過常壓干燥快速制備PI氣凝膠纖維仍然是一個巨大的挑戰。
通常，氣凝膠纖維是通過噴絲管擠出、溶膠-凝膠轉變和超臨界/冷凍干燥工藝制備的。溶膠-凝膠過程對于形成典型的三維多孔氣凝膠結構至關重要。制備連續氣凝膠纖維存在溶膠-凝膠過渡和干燥兩個主要障礙。高性能氣凝膠纖維的高通量制備面臨以下挑戰：(1)實現紡絲溶液的快速動態溶膠-凝膠轉變；(2)構建高強度凝膠骨架并有效避免骨架在干燥過程中坍塌。
02
成果掠影
近日，江南大學劉天西和樊瑋團隊報道了一種快速和可擴展的交聯聚酰亞胺(CPI)氣凝膠纖維的制造策略。該方法是通過濕紡絲和紫外線增強動態凝膠策略進行環境壓力干燥。該策略使光敏聚酰亞胺的溶膠-凝膠快速轉變，產生強交聯凝膠骨架，有效地保持纖維形狀和多孔納米結構。該方法可在7 h內連續生產出長度達數百米的高比模量(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 最輕和最強的材料：石墨烯氣凝膠
，由于其具有出色的導電性能，石墨烯氣凝膠3D打印機還可以應用于制作受損的電生成組織替代物，例如神經，骨骼或骨骼和心肌，還可用于3D打印石墨烯電池，更有效的存儲能量。
石墨烯氣凝膠3D打印機的潛力巨大，而且石墨烯本身已對許多行業產生顯著影響。該團隊的鄭曉宇先生表示，工業設計師如今無需考慮石墨烯片構建三維結構的限制，石墨烯氣凝膠3D打印機可以達到極高的制造自由，輕松達成強度、電導率、質量傳遞和重量密度的優化，3D打印機在這個過程中扮演者至關重要的角色。
一種三維網狀結構隔熱、防火的生物基氣凝膠
03
圖文導讀
圖1.KF氣凝膠復合材料的制備工藝及多功能性研究。
圖2.(a)未經處理的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氣凝膠的應力-應變曲線(c) KF-PVA5-BGP10試樣在1.5 kg載荷下無變形圖像;(d)不同KF氣凝膠的抗壓強度及KF-PVA-BGP氣凝膠的各種復雜形狀;(e) KF-PVA-BGP氣凝膠力學增強機理示意圖。
圖4.(a) KF和(b)KF-PVA-BGP氣凝膠樣品導熱圖(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 研究 \\ 一種生物啟發設計制備的保溫仿生氣凝膠
先進的隔熱材料，如氣凝膠，是一類具有超低導熱性的多孔輕質材料。然而，這些具有良好隔熱性能的高多孔材料通常具有較低的機械強度，并且需要額外的結構材料進行加固。目前，單一功能的圍護結構無法滿足下一代建筑的能源效率。設計具有高機械穩健性、高保溫性能和多功能的建筑已引起世界各國的關注。
然而，在雙碳背景下，需要大量生產建筑材料來減少能源浪費。因此，如何提高材料效率，以更少的原材料獲得更高的性能，是下一代建筑材料面臨的關鍵挑戰。水泥作為世界上應用最廣泛的建筑材料，由于其高機械強度、長期耐久性和耐高溫性，是這種多功能創新的有希望的候選者。基于生物啟發設計和材料效率改進的進一步優化已被采用為實現令人滿意的性能的有效方法。
02
成果掠影
近期，東南大學佘偉教授聯合普渡大學李恬教授團隊，受堅固多孔的墨魚骨骼的啟發，通過在聚合物溶液中自組裝水合鈣鋁硅酸鹽納米顆粒(C-A-S-H，水泥的主要成分)，開發了隔熱保溫的水泥氣凝膠材料。通過在聚合物溶液中自組裝水泥的主要成分(C-A-S-H納米顆粒)，大大提高了材料效率。該工藝方法避免了水泥原料的煅燒，與普通水泥相比，隱含碳減少了50%以上。所得水泥氣凝膠的質量密度僅為0.015 g cm?3。合成的水泥氣凝膠在剛度(315.65 MPa)和韌性(14.68 MJ m?3)方面表現出超高的力學性能。水泥氣凝膠內部具有多尺度孔隙的高孔隙結構極大地抑制了傳熱，從而實現了超低導熱系數(0.025 W/(mK))。此外，無機C-A-S-H納米顆粒在水泥氣凝膠中形成防火屏障，具有良好的阻燃性（極限氧指數高達46.26%，UL94-V0）。
展開 《Carbon》石墨烯氣凝膠結構調控方面取得進展
石墨烯片層組裝構建的三維網絡結構氣凝膠，不但良好保持了片層的優良特性，同時在環境修復應用中還便于回收和循環使用，是石墨烯應用的重要發展方向。溶膠-凝膠法是制備石墨烯氣凝膠最常用的方法，但片層凝膠化組裝過程不可避免會發生片層的面對面堆垛，最終得到的氣凝膠比表面積小，結構較脆、易碎。目前雖有大量研究表明通過引入各式各樣修飾結構，可抑制片層的堆垛，增強氣凝膠的機械性能等，然而如何簡單地僅通過調控納米片層自身結構就能達到相同的目的卻很難實現。
中國科學院城市環境研究所納米環境功能材料研究組（付明來研究組）基于已有石墨烯研究基礎，通過調控納米片層上含氧結構的分布，破壞片層表面原本穩定的氫鍵網絡，使納米片層能在簡單的水溶液中發生褶皺，實現片層的自我堆垛抑制，同時研究發現采用該片層構建的氣凝膠具有更優異的機械彈性和疏水性。該氣凝膠對常見油類和有機溶劑的吸附容量可達154-325 g/g，相對于常規氣凝膠的吸附容量提高了224%-406%，可應用在水體中有機污染物的高效選擇去除。
圖：片層調控構建氣凝膠過程示意及氣凝膠的優異疏水性和彈性
該研究成果基于納米片層基礎結構，充分利用二維材料結構優勢，優化氣凝膠性能，更強調了結構基礎研究的重要性。相關論文“Tuning oxygen clusters on graphene oxide to synthesize graphene aerogels with crumpled nanosheets for effective removal of organic pollutants”發表在Carbon（Carbon 2019, 143, 897-907）上。
該研究得到國家自然科學基金、廈門市科技項目和中日合作項目的支持。
展開 一種用于隔熱的輕質、柔性氣凝膠復合材料
來源 | ACS Applied Materials & Interface
00
背景介紹
由于氣凝膠在航空航天工業、軍事行動和靠近火源等惡劣環境領域的應用潛力，其高溫熱防護受到了研究人員的廣泛關注。特別是，聚酰亞胺、酚醛、芳綸等有機氣凝膠由于其低密度而非常有利，其中具有高炭產率的酚醛樹脂氣凝膠(PRA)作為一種有能力的燒蝕劑很受歡迎，為了在高機械應力和高熱載荷條件下獲得更好的力學性能，必須用堅韌的纖維對脆弱的氣凝膠進行加固。
由于具有優異的熱穩定性和機械性能，廣泛選擇碳纖維、石英纖維(QF)和莫來石纖維與PRAs結合制成熱防護復合材料。其中，NASA開發的酚醛浸漬碳燒蝕劑(PICA)是一種典型的輕質熱防護燒蝕復合材料。由于其重量輕、導熱系數低、熱穩定性好，它已被用于美國宇航局的火星探測、“星塵號”返航和SpaceX的“龍”太空艙等任務。隨著航空航天工業的空前快速發展，PICA的剛性和脆性帶來了失效應變低、縫縫繁瑣、對冷結構適應性低等問題，嚴重制約了剛性PICA的實際應用。因此，迫切需要進一步開發輕質、柔韌、隔熱的復合材料。
02
成果掠影
近日，哈爾濱工業大學張幸紅與洪長青團隊針對開發輕質、柔韌、隔熱的復合材料取得最新進展。該文報告了一種均勻的化學鍵合策略，用于制造具有良好燒蝕隔熱性能的輕質柔性纖維增強酚醛樹脂氣凝膠FRPRA。酚醛樹脂氣凝膠基質與酚醛纖維增強材料的相容性提高了材料的可壓縮性(循環應變為60%)和可彎曲性(循環應變為30%)以及燒蝕過程中的結構穩定性。此外，低堆積密度和導熱系數分別為0.20 g/cm3和0.043 W/mK，使復合材料具有高效的保溫能力。
展開 