氣凝膠制備技術(shù)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2026-01-04
氣凝膠制備技術(shù)的實(shí)例教程
來源 | Advanced Functional Materials
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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、儲能、氣體檢測、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)可能會嚴(yán)重阻礙傳導(dǎo)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(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(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（包括不同太陽光透過率和中遠(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，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)境下被動保溫、被動加熱或被動冷卻的按需熱管理(ODTM)。
展開 三維(3D)多孔氣凝膠由于其低密度和高孔隙率而被設(shè)想為潛在的絕緣材料。其中常用的是陶瓷基氣凝膠和聚合物基氣凝膠。另一方面，聚合物氣凝膠比硅基氣凝膠具有更高的延展性，但其導(dǎo)熱系數(shù)通常高于空氣。目前隔熱材料通常用于降低建筑物的能源消耗。大多數(shù)商用產(chǎn)品在白天的熱導(dǎo)率低，絕緣性能差，太陽光反射率和熱發(fā)射率小。在同一種材料中實(shí)現(xiàn)所有特性是非常具有挑戰(zhàn)性的。
02
成果掠影
近期，香港科技大學(xué)Jang-Kyo Kim聯(lián)合香港理工大學(xué)沈曦教授在隔熱氣凝膠材料方面的研究取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)采用單向冷凍鑄造技術(shù)制備了各向異性氮化硼納米片(BNNs)/聚乙烯醇復(fù)合氣凝膠。與傳統(tǒng)SiO2或Al2O3基氣凝膠中相互連接的各向同性納米顆粒形成的開孔結(jié)構(gòu)不同，二維BNNS可以將氣凝膠分隔成獨(dú)立的細(xì)胞，有效減少空氣傳導(dǎo)和對流，從而實(shí)現(xiàn)超低導(dǎo)熱。得益于BNNs排列的多孔結(jié)構(gòu)，具有最佳BNNS含量的復(fù)合氣凝膠在具有20.3 W/mK的超低導(dǎo)熱系數(shù)。此外，BNNS還具有高的折射率，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的SiO2(~1.47)和Al2O3(~1.77)納米粒子。BNNS的折射率與聚合物基體(~1.5)的折射率大不相同，這使得入射光在BNNS/基體界面處有效散射，從而獲得高太陽反射率。該復(fù)合氣凝膠在整個太陽光波長上具有95.0%的反射率，在大氣透明窗口內(nèi)具有93%以上的高發(fā)射率。這些理想的特性使它們成為建筑物被動熱管理和熱防護(hù)罩以及其他需要高太陽輻照度保護(hù)的應(yīng)用的有希望的材料。
展開 先進(jìn)的隔熱材料，如氣凝膠，是一類具有超低導(dǎo)熱性的多孔輕質(zhì)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(jī)械強(qiáng)度，并且需要額外的結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行加固。目前，單一功能的圍護(hù)結(jié)構(gòu)無法滿足下一代建筑的能源效率。設(shè)計(jì)具有高機(jī)械穩(wěn)健性、高保溫性能和多功能的建筑已引起世界各國的關(guān)注。
然而，在雙碳背景下，需要大量生產(chǎn)建筑材料來減少能源浪費(fèi)。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(guān)鍵挑戰(zhàn)。水泥作為世界上應(yīng)用最廣泛的建筑材料，由于其高機(jī)械強(qiáng)度、長期耐久性和耐高溫性，是這種多功能創(chuàng)新的有希望的候選者。基于生物啟發(fā)設(shè)計(jì)和材料效率改進(jìn)的進(jìn)一步優(yōu)化已被采用為實(shí)現(xiàn)令人滿意的性能的有效方法。
02
成果掠影
近期，東南大學(xué)佘偉教授聯(lián)合普渡大學(xué)李恬教授團(tuán)隊(duì)，受堅(jiān)固多孔的墨魚骨骼的啟發(fā)，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(fā)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(zhì)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(xiàn)出超高的力學(xué)性能。水泥氣凝膠內(nèi)部具有多尺度孔隙的高孔隙結(jié)構(gòu)極大地抑制了傳熱，從而實(shí)現(xiàn)了超低導(dǎo)熱系數(shù)(0.025 W/(mK))。此外，無機(jī)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(shù)高達(dá)46.26%，UL94-V0）。
展開 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，無法進(jìn)行折疊、拉伸、壓縮、變形等多次編輯處理，直接對其進(jìn)行構(gòu)型編輯無疑是一項(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題的關(guān)鍵。
02
成果掠影
近期，中國科學(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。
展開 Guo等人使用改進(jìn)的3D打印技術(shù)開發(fā)了層狀石墨烯氣凝膠(圖7a)。最初，使用帶有狹縫擠出頭的定制注射器通過剪切稀釋來創(chuàng)建各向同性狀態(tài)的氧化石墨烯液晶(GOLCs)。同時，在氧化石墨烯分散體中加入叔丁醇(TBA)，以保持氧化石墨烯納米片在冷凍干燥氣凝膠形成過程中的平行排列。隨后，通過逐層打印和冷凍干燥制備層狀氧化石墨烯氣凝膠。層狀結(jié)構(gòu)的長程排列有效地提高了導(dǎo)電率，從而增強(qiáng)了電磁干擾屏蔽性能。然而，由于含氧官能團(tuán)的存在和共軛體系的破壞，氧化石墨烯的電導(dǎo)率明顯低于石墨烯。此外，熱力學(xué)和化學(xué)還原方法都會破壞多孔結(jié)構(gòu)，從而限制了獨(dú)立氧化石墨烯和還原氧化石墨烯氣凝膠的性能。為了解決這些問題，引入了高導(dǎo)電性材料，與氧化石墨烯或還原氧化石墨烯結(jié)合形成復(fù)合氣凝膠。
Zhang等人成功制備了以NiCo納米顆粒裝飾的定向多孔氧化石墨烯/單壁碳納米管(SWNTs)氣凝膠。與復(fù)雜的3D打印相比，定向凍結(jié)是一種更受歡迎的方法。如圖7b所示，定向通道有利于有序?qū)щ娋W(wǎng)絡(luò)的形成，并為emw的多次反射提供了空間。結(jié)合磁性NiCo納米顆粒引入的磁損失，NiCo@rGO/SWNTs氣凝膠的EMI SE為105 dB，相應(yīng)的SSE/t值為18711 dB?cm2/g。此外，F(xiàn)an等人巧妙地將高導(dǎo)電性的2D MXene納米片加入氧化石墨烯中，利用冷凍干燥和熱處理生產(chǎn)出輕質(zhì)混合泡沫。混合泡沫的導(dǎo)電性隨著MXene的加入而顯著增強(qiáng)，同時保持其低密度。相比之下，混合泡沫的多孔結(jié)構(gòu)有助于增強(qiáng)重復(fù)反射的界面，從而有助于電磁波的更大衰減。結(jié)果表明，混合泡沫的EMI SE為50.7 dB，顯著高于還原氧化石墨烯泡沫。此外，混合泡沫優(yōu)異的SSE/t (43690 dB cm2/g)是其優(yōu)異的導(dǎo)電性和輕質(zhì)特性的結(jié)果。
圖7.
展開 
氣凝膠制備技術(shù)的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
氣凝膠制備技術(shù)的最新內(nèi)容
來源 | Nature Communication
01
背景介紹
自然界是一個充滿美麗和神秘的世界，它包含了許多驚人的幾何結(jié)構(gòu)。這些構(gòu)型不僅具有豐富的信息，而且具有深刻的科學(xué)意義。形態(tài)編輯伴隨著整個人類文明的發(fā)展，如石器的磨制、青銅器和陶器的建造、棉麻織物的編織等。在材料科學(xué)中，組態(tài)編輯在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)中起著重要的作用。例如，形狀記憶材料
來源 | Composite: Part A
摘要：為了解決日益嚴(yán)重的電磁污染問題，對具有低密度、高機(jī)械強(qiáng)度和有效屏蔽能力的高性能電磁干擾(EMI)屏蔽材料的需求是至關(guān)重要的。三維氣凝膠由二維過渡金屬碳化物和/或氮化物(MXenes)或石墨烯納米片構(gòu)成，在電磁干擾屏蔽方面表現(xiàn)出巨大的潛力。這些材料的特點(diǎn)是重量輕，機(jī)械性能優(yōu)異，導(dǎo)電性好，比表面積大，具有仿生排列多孔結(jié)構(gòu)的附加優(yōu)勢
來源 | Advanced Science
原文 | https://doi.org/10.1002/advs.202300340
01
背景介紹
能源危機(jī)已成為最緊迫的問題和首要任務(wù)，其中建筑占全球能源消耗的40%以上。世界各地的建筑行業(yè)占全球能源消耗的40%以上，是溫室氣體的最大生產(chǎn)者之一
來源 | Composites Part A: Applied Science and Manufacturing
01
背景介紹
傳統(tǒng)保持室內(nèi)熱舒適的方法需要消耗大量的能量，據(jù)估計(jì)，全球有超過10%的能源用于維持人體熱舒適。此外，用于實(shí)現(xiàn)舒適室內(nèi)溫度的空調(diào)不可避免地會排放溫室氣體，造成環(huán)境污染，導(dǎo)致全球變暖
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(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、儲能、氣體檢測、催化
來源 | Advanced Materials
01
背景介紹
極端環(huán)境（如深空和深海）對氣凝膠材料的熱防護(hù)性能提出了更高要求：一方面，氣凝膠需兼具超低熱導(dǎo)率（< 20 mW m
-1K
-1）和優(yōu)異力學(xué)性能（高剛性、高柔性、超彈性等）；另一方面，需突破低成本和易規(guī)模化的氣凝膠制備技術(shù)，也讓原本艱巨的任務(wù)變得更加困難
智能或功能纖維在可穿戴及其他高科技領(lǐng)域已顯示出巨大潛力，但設(shè)計(jì)和制備結(jié)構(gòu)可控的智能或功能纖維仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。最近，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所（簡稱：中科院蘇州納米所）氣凝膠團(tuán)隊(duì)通過一種巧妙的彎曲剛度導(dǎo)向策略，制造出具有不同功能的有機(jī)相變纖維，并探索其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用前景，如圖1所示。首先，利用正溴丁烷/乙醇混合溶劑作為濕法紡絲的凝固浴
【科研摘要】
氣凝膠作為一種低密度、高孔隙率的材料而廣為人知，與冷凍干燥或超臨界干燥等復(fù)雜的加工方法密切相關(guān)。最近，
清華大學(xué)
庹新林副教授
/北京化工大學(xué)
邱藤副研究員
以聚合誘導(dǎo)的芳綸納米纖維（PANF）為基礎(chǔ)，提出了一種改進(jìn)的冷凍干燥方法，用于高效制備全對芳酰胺氣凝膠。在制備過程中，
PANF水凝膠首先在-18°C冷凍，然后在20-150
第一作者：張恩爽
通訊作者：張昊 研究員，李文靜 研究員
第一單位：航天特種材料及工藝技術(shù)研究所
DOI：10.1021/acsami.1c02501
在國家自然科學(xué)基金(52075510)的支持下，航天特種材料及工藝技術(shù)研究所張昊團(tuán)隊(duì)在耐高溫氣凝膠隔熱材料方面取得新進(jìn)展
介紹
隨著社會的發(fā)展，水污染問題將越來越嚴(yán)重，引起嚴(yán)重的生態(tài)危機(jī)，這已成為全世界基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的重點(diǎn)。漏油，工業(yè)廢水排放和有機(jī)溶劑泄漏是造成水污染的主要原因。目前采用一些傳統(tǒng)方法來解決此嚴(yán)重問題，如分散劑、吸附劑材料、撇油器容器和圍油欄。吸附材料工藝簡單且具有出色的吸附效率，是最有前途的方法。
多孔材料（如羊毛纖維、活性炭、膨脹石墨、BN納米片）可通過簡單有效的吸收過程將油水分離，已被廣泛用作吸收劑
