氣凝膠近期頂刊研發(fā)成果匯總（上）
氣凝膠是目前已知的最輕的固體材料，因其具有納米多孔結構、低密度、低介電常數(shù)、低導熱系數(shù)等特點，在航天、軍事、交通、通訊、醫(yī)用、建材、電力、冶金等眾多領域有著廣泛而巨大的應用前景，被稱為“改變世界的神奇材料”，是化學領域十大新興技術之一。
本文整理了近期各期刊發(fā)表的10項有代表性的氣凝膠相關研發(fā)成果。
1、四川大學《Carbon》：超輕、堅固單向纖維素納米纖維/碳納米管氣凝膠，用于高效的微波吸收"Ambient-drying to construct unidirectional cellulose nanofibers/ carbon nanotubes aerogel with ultra-lightweight, robust, and superior microwave absorption performance"
具有輕質寬有效吸收帶、優(yōu)異機械性能和能夠大規(guī)模制備的微波吸收材料（MAMs）是處理微波污染的理想材料，但在一種材料上同時實現(xiàn)這些性能仍然是一個挑戰(zhàn)。四川大學王延青課題組在《Carbon》期刊發(fā)表論文，研究報道了一種由纖維素納米纖維（CNF）和碳納米管（CNT）制備高性能微波吸收氣凝膠的常溫干燥和非化學交聯(lián)方式。通過單向循環(huán)凍融交聯(lián)CNF和CNT可以構建具有優(yōu)異力學性能的各向異性氣凝膠孔壁。在此過程中，利用CNF和CNT的單分散，構建了一種可持續(xù)的仿生雙網絡互穿策略，從而能夠創(chuàng)建疏水/親水納米纖維的混合雙網絡。在冷凍鑄造的基礎上，開發(fā)了一種常溫干燥和非化學交聯(lián)工藝制備具有各向異性結構的CNF/CNT氣凝膠材料，克服了傳統(tǒng)干燥工藝的局限性和極端條件。本工作為制備具有輕質、穩(wěn)健和優(yōu)越微波吸收性能的各向異性氣凝膠提供了一種節(jié)能和大規(guī)模的生產策略。
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https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118150
2、哈工大《Carbon》：Ni/C復合氣凝膠，具有優(yōu)異的疏水性和隔熱性“Topological MOFs deformation for the direct preparation of electromagnetic functionalized Ni/C aerogels with good hydrophobicity and thermal insulation”
磁性碳基氣凝膠是目前高性能電磁波吸收材料（EWAMs）的一種新興候選材料，因為其獨特的結構優(yōu)勢為電磁波的傳播和衰減奠定了良好的基礎。然而，傳統(tǒng)的磁性碳基氣凝膠后處理方法往往在保持氣凝膠結構、調節(jié)磁性成分含量和分散磁性顆粒方面面臨困難。哈爾濱工業(yè)大學杜耘辰和韓喜江教授課題組在《Carbon》期刊發(fā)表論文，研究首先誘導大塊Ni-MOF顆粒的拓撲變形，生成由交聯(lián)纖維組裝的Ni-MOF氣凝膠，然后通過可控的高溫熱解將該中間氣凝膠轉化為最終的Ni / C復合氣凝膠（NCCAs）。這種新策略實現(xiàn)了磁性金屬納米顆粒在整個碳骨架中的高負載和均勻分散。與各種Ni/C復合材料相比，氣凝膠結構和MOFs轉化的綜合優(yōu)勢不僅使NCCA-2成為高性能EWAMs的一個極具競爭力的候選材料，而且還賦予了它優(yōu)異的疏水和隔熱性能。本文展示了一種通過拓撲MOFs變形和隨后的高溫熱解來生產Ni / C復合氣凝膠（NCCA）的新方法。最終的NCCAs保留了高孔隙率的氣凝膠結構，實現(xiàn)了Ni納米顆粒的高含量和均勻分散。結果表明，NCCA是一種很有前景的多功能電磁波吸收材料（EWAMs），該策略融合了氣凝膠結構和MOFs轉化的優(yōu)點，可能為未來高性能EMWAMs的設計和制造提供啟發(fā)。
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https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118132
3、國科大《Carbon》：新方法！簡單且低成本的單原子摻雜合成碳氣凝膠“Ultralow thermal conductivity of single-atom doped carbon aerogel synthesized with a facile ambient-pressure-drying strategy”
碳氣凝膠由于其多孔性和高溫下的高穩(wěn)定性，是一種有吸引力的保溫材料。然而，由于復雜的超臨界干燥技術和純碳骨架的高導熱性，阻礙了碳氣凝膠在保溫方面的廣泛應用。國防科技大學馮軍宗、湖南大學秦光照教授等在《Carbon》期刊發(fā)表論文，研究開發(fā)了一種簡便的常壓干燥技術，通過催化單體在鐵溶膠下的聚合反應來合成Fe-N4摻雜的碳氣凝膠，以共聚物F127作為濕水凝膠的增強相。
整個過程沒有任何溶劑交換或老化過程。所制備的碳氣凝膠在室溫下具有0.048 W/(m ? K)的超低熱導率，在常壓干燥過程中可忽略2%的收縮率，并且在10%的應變下具有0.58 MPa的優(yōu)良機械行為。碳纖維增強碳氣凝膠的導熱性在1100℃時為0.158 W/(m ? K)，彈性模量為108.3 MPa?；诶硐肽Ｐ?，密度泛函理論計算顯示，摻入Fe-N4可以顯著提高碳基材料的非諧波性，從而使晶格熱導率降低10倍以上。這項工作提出了一種簡便和低成本的方法來合成具有單原子摻雜的碳氣凝膠，在隔熱方面有很好的應用前景。
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https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118167
4、西安交大《ACS AMI》：多級SiC-石墨烯復合氣凝膠負載Ni–Mo–S納米片，用于高效pH通用電催化析氫“Hierarchical SiC–Graphene Composite Aerogel-Supported Ni–Mo–S Nanosheets for Efficient pH-Universal Electrocatalytic Hydrogen Evolution”
MoS2在電催化氫氣進化方面表現(xiàn)出良好的前景。然而，MoS2的電催化性能受到其活性位點不足、低電導率和緩慢的水解過程的限制。西安交通大學在《ACS Appl. Mater. Interfaces 》期刊發(fā)表論文，研究采用CVD法在石墨烯氣凝膠（RGO）中生長SiC納米線（SiCnw），構建了由碳化硅（SiC）和石墨烯（SiCnw-RGO）組成的氣凝膠，然后在SiCnw-RGO復合氣凝膠上水熱合成了Ni–Mo–S納米片，開發(fā)了一種高效的pH通用電催化劑。
通過Ni-Mo-S納米片支撐在SiCnw-RGO復合氣凝膠上，成功開發(fā)了一種高效的pH值通用電催化劑。SiCnw-RGO復合氣凝膠的分層結構、RGO的高導電性和SiC的加速水解過程可以協(xié)同提高電催化活性并暴露Ni-Mo-S納米片的催化位點。Ni-Mo-S@SiCnw-RGO電催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能，在酸性條件下具有60 mV/dec的低Tafel斜率，在堿性條件下具有90 mV/dec。DFT計算表明，該復合催化劑表現(xiàn)出有利的氫氣吸附自由能和水解離能量障礙。這項研究為設計基于MoS2的分層電催化劑以實現(xiàn)高效的pH值通用氫氣進化開辟了一條創(chuàng)造性的途徑，并為在HER中大規(guī)模生產基于MoS2的電催化表現(xiàn)出巨大潛力，為設計高效多級氣凝膠電催化劑提供了參考。
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https://doi.org/10.1021/acsami.3c02802
5、同濟大學《JMCA》：3D層狀/柱狀RGO/CNT氣凝膠，用于高性能可壓縮電子產品“Designing free-standing 3D lamellar/pillared RGO/CNTs aerogels with ultra-high conductivity and compressive strength for elastic energy devices”
機械可壓縮能源裝置是為柔性和便攜式電子產品供電的最有希望的候選者之一，但在高壓縮應變下，它們的性能穩(wěn)定性通常有限。同濟大學陳濤教授團隊在《J. Mater. Chem. A》期刊發(fā)表論文，研究展示了一種具有高導電性和抗壓強度的還原氧化石墨烯/碳納米管（RGO/CNTs）復合氣凝膠，用于高性能的彈性能量轉換和存儲設備。
通過簡單的溶液方法將碳納米管生長催化劑負載在RGO氣凝膠中，然后通過化學氣相沉積法在RGO層之間直接生長高度排列的碳納米管陣列。層狀RGO層之間的柱狀CNT陣列為RGO/CNTs氣凝膠提供了極高的電導率（214.7 S m−1）和抗壓強度（73.6 kPa），優(yōu)于先前報告的大多數(shù)結果。使用RGO/CNTs衍生的復合氣凝膠作為電極， 得到的超級電容器不僅表現(xiàn)出高比電容（215.5 mF cm−3），但即使在 15 000 次重復壓縮循環(huán)后，也表現(xiàn)出出色的壓縮穩(wěn)定性而不會降低性能。此外，基于RGO/CNTs衍生氣凝膠的壓電納米發(fā)電機可以提供穩(wěn)定的0.6 V壓電電壓和優(yōu)異的穩(wěn)定性。可以作為一個高效的平臺，加載其他功能材料，用于其他具有高性能的彈性電子產品。
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https://doi.org/10.1039/D3TA01531A
6、煙臺大學《ACS AMI》：受樹木啟發(fā)制備三維CS-石墨烯/PPy復合氣凝膠，可實現(xiàn)高效的太陽能水凈化“Tree-Inspired Aerogel with a Radial and Centrosymmetric Structure for Efficient Solar-Powered Water Purification”
在自然界中，樹木蒸騰作用是一個高效的過程，其中水通過樹干和樹枝內排列的通道從底部根部輸送到葉子。例如，針葉樹具有徑向排列的微通道和波浪狀多孔網絡，在吸收和輸送低流動阻力的水方面具有競爭優(yōu)勢。煙臺大學朱小濤副教授、Guina Ren等研究人員在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊發(fā)表論文，研究受針葉樹特征結構的啟發(fā)，開發(fā)了一種三維殼聚糖還原氧化石墨烯/聚吡咯（CS-RGO/PPy;CRP）氣凝膠蒸發(fā)器具有垂直和徑向對齊結構，通過定向冷凍過程實現(xiàn)高效的太陽能水凈化。
3D氣凝膠內的徑向多孔壁和垂直排列的通道能夠促進高光吸收，定位轉換的熱量，快速的水傳輸和鹽水自排放。在1次太陽照射下，氣凝膠蒸發(fā)器表現(xiàn)出95%的光吸收特性和高蒸發(fā)速率（∼3.19 kg m–2h–1），從飽和鹽水生產中實現(xiàn)了連續(xù)的淡水，沒有固體鹽結晶。除了實現(xiàn)海水淡化外，所得氣凝膠還可以通過太陽能蒸餾凈化有機廢水和乳液，并具有高速連續(xù)產水。通過模仿針葉樹的結構，成功地設計和制造了一個具有垂直和徑向排列結構的CRP徑向氣凝膠，通過徑向冰模板的組裝。作者預計，這種垂直和徑向排列的針葉樹啟發(fā)的鹽水淡化、廢水處理和太陽能收集等領域將得到極大的啟發(fā)。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acsami.3c02867
7、張光華/冀豪棟/曾湘楚博士《CEJ》：磁性殼聚糖復合氣凝膠協(xié)同去除水體二元污染物中絡合-吸附-降解的分子水平理解
“Molecular-level understanding on complexation-adsorption-degradation during the simultaneous removal of aqueous binary pollutants by magnetic composite aerogels”
曾湘楚博士、張光華教授、冀豪棟研究員等聯(lián)合在Chemical Engineering Journal（影響因子16.744）上發(fā)表了研究論文，探究了微晶纖維素改性的超支化殼聚糖氣凝膠（HCS/MCCs、M-HCS/MCCs）用于協(xié)同去除水體重金屬、偶氮染料及其配合物的應用效果、分子構筑及去除機理，突出了其作為環(huán)境功能材料通過絡合-吸附-降解的協(xié)同工藝在水體微（痕）量及絡合態(tài)污染物的深度處理上的巨大潛力。
研究人員通過磁性顆粒的摻雜賦予復合材料活化催化過硫酸鹽降解水體重金屬配合物和有機污染物的能力；其次，二元污染體系中生成的重金屬配合物也能自催化過硫酸鹽產生自由基和非自由基而進行自催化降解和催化有機物降解，對水體因吸附而殘留以及難吸附的污染物具有深度去除效果。
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https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143536
8、西安交大《Nat. Commun.》：新突破！高度交聯(lián)的碳管氣凝膠，具有增強的彈性和抗疲勞性“Highly cross-linked carbon tube aerogels with enhanced elasticity and fatigue resistance”
碳氣凝膠具有彈性、機械強度和抗疲勞性，以其在軟機器人、壓力傳感器等領域的前景廣闊而聞名。然而，這些氣凝膠通常是易碎和/或容易變形的，這限制了它們的應用。西安交通大學王紅潔教授團隊在《Nat. Commun》期刊發(fā)表名為“Highly cross-linked carbon tube aerogels with enhanced elasticity and fatigue resistance”的論文，研究報告了一種通過組裝互連碳管來制造高度可壓縮和抗疲勞氣凝膠的合成策略。碳管氣凝膠表現(xiàn)出接近零的泊松比，表現(xiàn)出超過20 MPa的最大強度和高達99%的完全可回收應變。
它們具有高抗疲勞性（在99%應變下1000次循環(huán)后，永久降解率低于1.5%），并且在Ar氣氛中熱穩(wěn)定性高達2500°C。此外，它們還具有可調電導率和電磁屏蔽。機械和多功能特性的結合為在惡劣環(huán)境中使用提供了有吸引力的材料。因此，作者相信它們在各種實際應用中具有巨大的應用潛力，例如可穿戴電子產品和高精度壓力傳感器等應用。
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https://doi.org/10.1038/s41467-023-38664-6
9、上海電大《ACS ANM》:3D石墨烯/CoSe2復合氣凝膠，用于高性能非對稱超級電容器“Three-Dimensional Graphene-Wrapped CoSe2 Nanowires for High-Performance Asymmetric Supercapacitors”
上海電力大學徐燕 講師、朱燕艷 教授等在《ACS Appl. Nano Mater.》期刊發(fā)表論文，研究開發(fā)了一種三維石墨烯（3DG）包覆的多孔納米線結構，表現(xiàn)出良好的多尺度和多維多孔納米結構，形成了具有豐富離子傳輸通道、高比表面積和優(yōu)良導電性的氣凝膠（3DG/CoSe2NWs）。
這種氣凝膠可以直接用作靈活的無粘結劑電極，在1 A g-1時具有1272 F g-1的高比容量，當電流密度增加到10 A g-1時具有1156 F g-1的出色速率能力。所制備的不對稱超級電容器（3DG/CoSe2NWs//AC）表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在10,000次循環(huán)后，5 A g-1的庫侖效率為96.19%。評估了柔性非對稱超級電容器（ASC）裝置在不同彎曲角度下的性能，并確認了其放電穩(wěn)定性，這表明其在實際應用中的潛力。此外，兩個串聯(lián)的3DG/CoSe2NWs//AC ASCs（1cm×3cm）能夠點亮LED燈，突出了該裝置的前景。3DG/CoSe2NWs電極作為可穿戴電子設備的高性能柔性電極表現(xiàn)出巨大潛力。
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https://doi.org/10.1021/acsanm.3c01416
10、東華大學丁彬/斯陽《AM》：仿生電鰻！用于滲透壓差高效電能收集的氣凝膠離子傳輸馬達“Meta-Aerogel Ion Motor for Nanofluid Osmotic Energy Harvesting”
在自然界中，電鰻可以實現(xiàn)利用離子梯度放電，它的神經元介導的電器官可以完全從離子流中產生100W的可怕放電，用于驅趕捕食者和制服獵物。因此電鰻的結構是滲透壓差電能收集技術可以學習的對象。電鰻的電器官的典型進化特征是成千上萬的細長神經纖維和電活性細胞，它們以平行堆疊的方式遍布電鰻身體的后部80%。在脈沖期間，神經元纖維產生刺激信號，促進靜止的電細胞中的離子接近、進入，并通過細胞膜的納米流體通道向細胞外空間運輸，從而產生約75mV的跨細胞電。通過千上萬的多個器官堆疊串聯(lián)，能夠實現(xiàn)600V以上的巨大電位。
受啟發(fā)于電鰻的放電方式，近期東華大學丁彬、斯陽團隊構思了一種納米尺度的組裝策略，制作了一種氣凝膠離子馬達（NMIMs）為離子傳輸提供納米通道。所得的氣凝膠離子馬達表現(xiàn)出豐富的次納米孔道、超高的表面積（952 m2 g-1）、高的孔隙體積（2.5 cm3 g-1）、低阻力和卓越的離子選擇性等綜合特征，并且具有優(yōu)良的機性和可擴展性。當NMIM系統(tǒng)被用作滲透性發(fā)電裝置時，能夠在混合天然河水和海水時產生超過30W m-2的功率密度。這種仿生物元氣凝膠具有成千上萬的納米流體電纜纖維，作為 "離子高速公路 "有選擇地將離子從海水中輸送到河水中，在50倍的鹽度梯度下產生了高達30.7W m-2的特殊功率密度。這一特殊的離子傳輸氣凝膠為陰離子傳輸提供了快速的離子通道，為下一代滲透壓差能量的收集提供了新的思路。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202302511
