氣凝膠近期頂刊研發(fā)成果匯總（下）
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(jié)構(gòu)、低密度、低介電常數(shù)、低導(dǎo)熱系數(shù)等特點(diǎn)，在航天、軍事、交通、通訊、醫(yī)用、建材、電力、冶金等眾多領(lǐng)域有著廣泛而巨大的應(yīng)用前景，被稱為“改變世界的神奇材料”，是化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)之一。
本文整理了近期各期刊發(fā)表的10項(xiàng)有代表性的氣凝膠相關(guān)研發(fā)成果。
1、南工大《Talanta》：豐富孔道結(jié)構(gòu)Zn2Ti3O8氣凝膠的制備及其高效光催化降解抗生素機(jī)制研究“Fabrication of Flexible AuNPs@ polyimide heating chips for in situ explosives SERS sensing in nature samples”
近年，爆炸物、污染物、毒品、農(nóng)藥和生化物的分析和檢測(cè)是公共安全、環(huán)境污染和人類健康方面迫切需要的。實(shí)際樣品的目標(biāo)分子是復(fù)雜的混合物，通常分散在各種相中，如固體或水溶液中。特別是對(duì)于復(fù)雜環(huán)境中的痕量化學(xué)物質(zhì)，目標(biāo)分析物的高效、實(shí)時(shí)原位檢測(cè)仍然是面臨的一個(gè)難題。典型的例子是包括2，4，6 -三硝基甲苯( TNT )在內(nèi)的多種爆炸物的痕量檢測(cè)。作為最重要的軍用高能材料之一，TNT的大規(guī)模使用導(dǎo)致其在土壤、水環(huán)境和其他生態(tài)系統(tǒng)中的殘留。此外，TNT的低飽和壓力使其容易遷移并污染衣服和食物，對(duì)人類健康和環(huán)境構(gòu)成威脅。TNT具有極強(qiáng)的危險(xiǎn)性和毒性，已被美國(guó)環(huán)境保護(hù)局( EPA )列為潛在致癌物和優(yōu)先防控物質(zhì)?？傮w而言，發(fā)展一種高效、靈敏、原位檢測(cè)復(fù)雜環(huán)境體系中爆炸物的方法具有重要意義和挑戰(zhàn)性。大量的工作致力于設(shè)計(jì)和制備各種SERS基底，從混合體系中高效地收集樣品，實(shí)現(xiàn)原位檢測(cè)。當(dāng)炸藥殘留在土壤、工作人員衣服等復(fù)雜環(huán)境中時(shí)，目前報(bào)道的柔性基底仍然無法獲得有效的樣品采集和分析。更加突出的柔性基底仍有待開發(fā)，并應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境體系的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。
南京工業(yè)大學(xué)崔升教授團(tuán)隊(duì)制備了一種新型原位加熱富集的SERS芯片，并詳細(xì)研究了AuNPs陣列的微觀結(jié)構(gòu)、SERS性能以及均勻穩(wěn)定性。以4-ATP為捕捉分子，AgNPs為信號(hào)放大器，結(jié)合TNT形成“三明治”結(jié)構(gòu)進(jìn)行TNT的檢測(cè)機(jī)理研究。通過原位加熱策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)分子的氣體檢測(cè)。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.talanta.2023.124460
2、北科大《AM》：用于快速存儲(chǔ)波動(dòng)能量的碳?xì)饽z輕質(zhì)鋁電池“Carbon Aerogel Lightweight Al Battery for Fast Storage of Fluctuating Energy”
鋁電池具有成本低、容量大、安全等優(yōu)點(diǎn)，具有很大的可再生能源存儲(chǔ)潛力。高能量密度和對(duì)波動(dòng)電力的適應(yīng)性是主要的挑戰(zhàn)。北京科技大學(xué)-焦樹強(qiáng)&王明涌 教授等人在Advanced Materials上發(fā)表重要文章，基于一種新型分層多孔無枝晶碳?xì)饽z膜(CAF)負(fù)極和集成石墨復(fù)合碳?xì)饽z膜(GCAF)正極，構(gòu)建了一種用于快速存儲(chǔ)波動(dòng)能量的輕質(zhì)鋁電池。證實(shí)了含氧官能團(tuán)在CAF負(fù)極上誘導(dǎo)鋁均勻沉積的新機(jī)制。由于石墨材料的負(fù)載質(zhì)量(9.5 ~ 10.0 mg cm-2)極高，與傳統(tǒng)的涂層正極相比，GCAF正極具有更高的質(zhì)量利用率。同時(shí)，GCAF正極的體積膨脹幾乎可以忽略不計(jì)，從而獲得了更好的循環(huán)穩(wěn)定性。輕質(zhì)的CAF‖GCAF全電池由于其層次化多孔結(jié)構(gòu)，可以很好地適應(yīng)大電流密度和波動(dòng)電流密度。在高電流密度下，2000次循環(huán)后同時(shí)獲得大放電容量(115.6 mAh g-1)和短充電時(shí)間(7.0 min)?；谔?xì)饽z電極的輕量化鋁電池的構(gòu)建策略將推動(dòng)適應(yīng)波動(dòng)可再生能源快速存儲(chǔ)的高能量密度鋁電池的突破。該研究有望促進(jìn)具有快速存儲(chǔ)波動(dòng)可再生能源的高能量密度鋁電池的發(fā)展。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202303943
3、山東大學(xué)《Carbon》：多功能纖維素納米纖維輔助制備超輕、可擴(kuò)展碳納米管氣凝膠，用于航空航天領(lǐng)域等“Versatile cellulose nanofibril assisted preparation of ultralight, scalable carbon nanotube aerogel-based electromagnetic wave absorbers with ultrahigh reflection loss”
山東大學(xué)劉久榮/曾志輝教授、中國(guó)科學(xué)院納米科學(xué)與技術(shù)國(guó)家中心Feng Gao等研究人員在《Carbon》期刊發(fā)表論文，可持續(xù)纖維素納米纖維（CNF）被有效利用，促進(jìn)了超輕、高孔隙率碳納米管（CNT）雜化氣凝膠基電磁波（EMW）吸收體的制備。CNF不僅作為綠色表面活性劑避免CNT的聚集，還作為支撐基質(zhì)或粘合劑促進(jìn)多孔CNT基氣凝膠的構(gòu)建。
此外，CNF前驅(qū)體有助于產(chǎn)生用于高效介電調(diào)制器的CNF衍生納米碳（CNFC），從而實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的電磁參數(shù)和良好的阻抗匹配。結(jié)合CNFC的損耗能力，增強(qiáng)了CNT基氣凝膠的EMW吸收性能。因此，混合氣凝膠表現(xiàn)出EMW吸收性能，有效吸收帶寬為3.3 GHz，在76 wt%的填充比下具有−46.5 dB的超高反射損耗，優(yōu)于其他基于CNT的EMW吸收體。詳細(xì)分析了多種EMW吸收機(jī)制對(duì)雜化氣凝膠的協(xié)同效應(yīng)，證明了CNF或CNFC在構(gòu)建高效碳納米管基EMW吸收器中不可或缺的作用。結(jié)合綠色、可持續(xù)、方便和可擴(kuò)展的制備方法，基于碳?xì)饽z的EMW吸收劑在電磁兼容性或保護(hù)和航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用非常有前途。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118277
4、西工大《CEJ》：珊瑚狀Co/CoO/石墨烯混合氣凝膠的高效電磁波吸收，具有良好的疏水性和隔熱性“High-efficient electromagnetic wave absorption of coral-like Co/CoO/RGO hybrid aerogels with good hydrophobic and thermal insulation properties”
為了解決日益嚴(yán)重的電磁輻射問題，迫切需要探索有效的電磁波吸收器。西北工業(yè)大學(xué)趙廷凱教授團(tuán)隊(duì)在《 Chem. Eng. J. 》期刊發(fā)表論文，研究通過冷凍干燥-熱還原策略合成了一系列珊瑚狀的Co/CoO納米顆粒/還原氧化石墨烯（Co/CoO/RGO）混合氣凝膠。它們的優(yōu)點(diǎn)涉及多孔互連框架、豐富的異構(gòu)界面以及介電/磁性單元的集成，可以帶來多種損耗模式。通過操縱Co(CO3)0.5(OH)-0.11H2O(CCOH)的添加量和還原溫度，可以調(diào)整電磁參數(shù)，最終獲得最佳吸收能力，最大反射損耗為-32.4dB，有效帶寬為4.2GHz。
更重要的是，除了高電磁波損耗外，Co/CoO/RGO混合氣凝膠還表現(xiàn)出良好的疏水性和隔熱性能，使其適合應(yīng)用于惡劣環(huán)境。此外，特殊的結(jié)構(gòu)和多種成分導(dǎo)致氣凝膠中出現(xiàn)多個(gè)異質(zhì)界面，由此產(chǎn)生的界面極化被認(rèn)為是造成電磁波損耗的原因。在此，我們采用基于第一原理的密度泛函理論（DFT）模擬，從理論層面驗(yàn)證界面極化的貢獻(xiàn)。根據(jù)仿真結(jié)果，在構(gòu)成異質(zhì)界面的不同相之間，費(fèi)米級(jí)附近的電子占位狀態(tài)有明顯的不同，并且在這些界面上有明顯的電荷積累，成功地肯定了不同界面上的界面極化行為。通過調(diào)節(jié)Co/CoO添加量和熱還原溫度，可以極大地促進(jìn)電磁波吸收性能。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144535
5、中科院寧波材料所 《Small》：在Janus氣凝膠實(shí)現(xiàn)季節(jié)適應(yīng)性熱管理溫度調(diào)節(jié)方面取得新進(jìn)展“Designing free-standing 3D lamellar/pillared RGO/CNTs aerogels with ultra-high conductivity and compressive strength for elastic energy devices”
輻射調(diào)節(jié)被認(rèn)為是一種直接、高效、有前途的方式，通過吸收輸入的陽光調(diào)節(jié)內(nèi)部環(huán)境溫度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。合理設(shè)計(jì)和制造熱調(diào)節(jié)材料至關(guān)重要，它可以通過可調(diào)節(jié)的物理或化學(xué)結(jié)構(gòu)顯著提高冷卻或加熱性能。但是在材料穩(wěn)定性和季節(jié)適應(yīng)性溫度調(diào)節(jié)方面仍有不足?；诖?，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團(tuán)隊(duì)陳濤研究員、肖鵬副研究員通過免凍干的方法，設(shè)計(jì)了由光熱MXene-CNF層和CNF層組成的Janus結(jié)構(gòu)氣凝膠（JMNA），該氣凝膠能夠?qū)崿F(xiàn)可切換的熱調(diào)節(jié)，將被動(dòng)輻射冷卻和加熱集成到一個(gè)材料系統(tǒng)中，以適應(yīng)多變的環(huán)境。
基于良好的機(jī)械性能，Janus氣凝膠可用作季節(jié)適應(yīng)性輻射熱調(diào)節(jié)的智能屋頂。當(dāng)CNF層暴露于外部環(huán)境時(shí)，外層高反射率和內(nèi)層低紅外發(fā)射率的結(jié)合使得夏季能夠有效地進(jìn)行被動(dòng)輻射冷卻。為了應(yīng)對(duì)寒冷的冬季，MXene-CNF層可被用作外層，有效將陽光轉(zhuǎn)化為可觀的熱能。產(chǎn)生的熱量可以通過CNF層高紅外發(fā)射率進(jìn)一步傳遞到內(nèi)部環(huán)境，從而產(chǎn)生顯著的被動(dòng)輻射加熱。Janus結(jié)構(gòu)氣凝膠簡(jiǎn)單的制造方法和合理設(shè)計(jì)為開發(fā)可擴(kuò)展的氣候適應(yīng)性熱調(diào)節(jié)材料提供了一條替代途徑。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/smll.202302509
6、青島大學(xué)《JAPS》：環(huán)氧樹脂增強(qiáng)的石墨烯碳納米管復(fù)合氣凝膠，提高了聚苯乙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能“The mechanical properties of polystyrene composites were improved by designing large-size 3D GO/CNTs hybrid aerogel reinforced by epoxy resin”
長(zhǎng)期以來，碳納米材料在聚合物中的分散一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。青島大學(xué)李曉茹副教授團(tuán)隊(duì)在《J. Appl. Polym. Sci》期刊發(fā)表論文，研究以穩(wěn)定的三維互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為增強(qiáng)骨架，制備了大規(guī)模環(huán)氧樹脂增強(qiáng)GO/CNT氣凝膠（GECA）。然后，通過在互連的GECA中原位聚合苯乙烯，制造了GECA/聚苯乙烯（GECA/PS）納米復(fù)合材料。
本文綜述了一種大尺寸氣凝膠增強(qiáng)聚苯乙烯納米復(fù)合材料的制備方法。該方法易于制造，可靠，成本低且環(huán)保。研究了環(huán)氧樹脂增強(qiáng)石墨烯碳納米管復(fù)合氣凝膠和環(huán)氧樹脂用量對(duì)氣凝膠形貌的影響。討論了復(fù)合材料的破壞機(jī)理。力學(xué)性能測(cè)試表明，當(dāng)GO和CNTs與環(huán)氧樹脂的比例為1：1時(shí)，GECA-1/PS納米復(fù)合材料的拉伸、彎曲、壓縮和沖擊強(qiáng)度分別比PS高113.0%、76.1%、147.5%和99.5%。彈性模量、彎曲模量和壓縮模量分別提高了59.05%、95.91%和87.52%。因此，該方法為大規(guī)模、低成本制備多功能集成復(fù)合材料提供了新的思路。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/app.54284
7、北航《Carbon》：碳納米管/石墨烯納米帶混合氣凝膠，具有優(yōu)異的電磁波吸收和焦耳熱特性“Assembly of partially unzipped multiwalled carbon nanotubes into ultralight, highly efficient and multifunctional electromagnetic wave absorbing aerogel”
具有輕量化和多功能集成應(yīng)用的高效電磁波吸收材料具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。碳質(zhì)材料因其密度低、導(dǎo)電性高、結(jié)構(gòu)多樣、成分可調(diào)等特點(diǎn)，是有前途的候選材料之一。北京航空航天大學(xué)劉曉芳副教授團(tuán)隊(duì)在《Carbon》期刊發(fā)表論文，研究通過組裝和退火部分解壓縮的碳納米管制備了氮摻雜石墨烯納米帶/碳納米管（N-GNR/CNT）雜化氣凝膠。
剩余的碳納米管作為骨架來維持GNR展開，而展開的GNR則作為“翅膀”來互連并形成3D網(wǎng)絡(luò)。3D網(wǎng)絡(luò)為快速電子傳輸提供了通道，同時(shí)GNR為N摻雜提供了豐富的邊緣。得益于碳納米管和GNRs的協(xié)同作用，該氣凝膠表現(xiàn)出超輕、超薄、強(qiáng)電磁波吸收和高效焦耳熱的特點(diǎn)。本研究提出了制備多功能電磁波吸收材料的新策略，拓寬了石墨烯納米帶的應(yīng)用。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118220
8、昆明理工大學(xué)《ACS AMI》：基于石墨烯/蠶絲的各向異性獨(dú)立氣凝膠，用于壓力傳感和高效吸附“Anisotropic Free-Standing Aerogels Based on Graphene/Silk for Pressure Sensing and Efficient Adsorption”
可壓縮、導(dǎo)電、超輕和超疏水的石墨烯氣凝膠（GA）在可穿戴電子和吸附應(yīng)用中很有前景。然而，傳感性能不理想和缺乏多尺度結(jié)構(gòu)調(diào)控仍然阻礙著多功能GA的發(fā)展。昆明理工大學(xué)蔡金明教授團(tuán)隊(duì)在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊發(fā)表論文，研究報(bào)道了一種基于石墨烯/絲的多功能氣凝膠——通過堿誘導(dǎo)的水熱自組裝策略建立了高度有序的三維還原氧化石墨烯（rGO）導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，而絲素蛋白（SF）通過靜電相互作用與氧化石墨烯（GO）結(jié)合均勻分布在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。超輕rGO/SF氣凝膠（GSA）具有電阻隨壓縮而變化的特性，因此可用于柔性壓力傳感器。
基于GSA的傳感器可以檢測(cè)低至0.35 kPa的壓縮應(yīng)力，響應(yīng)時(shí)間為0.55 s，恢復(fù)時(shí)間為0.58 s。它在0.5至30 kPa之間具有良好的線性響應(yīng)，靈敏度分別為0.54 kPa–1（0.5–4 kPa）和0.21 kPa–1?；贕SA的傳感器也具有出色的耐用性，在12000次循環(huán)后保持穩(wěn)定。作為概念驗(yàn)證，展示了它在健康監(jiān)測(cè)、語音識(shí)別和運(yùn)動(dòng)捕捉方面的應(yīng)用。此外，具有超疏水性的碳化rGO/SF氣凝膠（C-GSAs）可以吸附各種有機(jī)物質(zhì)（146.7–278.8 g/g）并實(shí)現(xiàn)油水分離。因此，一方面，GSA通過廣泛的相關(guān)應(yīng)用被確認(rèn)為各種壓力傳感設(shè)備的理想候選者；另一方面，我們的研究為溢油清理和有機(jī)污染物廢水處理提供了有前途的材料。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-38664-6
9、昆明理工大學(xué)《Rare Met》：多功能硫固定化石墨烯/MXene氣凝膠，用于高穩(wěn)定性和長(zhǎng)循環(huán)壽命鋰硫電池“Multifunctional sulfur-immobilizing GO/MXene aerogels for highly-stable and long-cycle-life lithium–sulfur batteries”
鋰硫電池由于其較高的理論能量密度，是下一代能源存儲(chǔ)的一個(gè)有希望的候選者。然而，S絕緣和多硫化鋰中間物的穿梭效應(yīng)大大阻礙了它的實(shí)際應(yīng)用。
昆明理工大學(xué)Xue Li、Yi-Yong Zhang、Ying-Jie Zhang等研究人員在《Rare Metals》期刊發(fā)表論文，研究設(shè)計(jì)了一種三維多孔氧化石墨烯（GO）/MXene（Ti3C2Tx）（GM）氣凝膠，并將其應(yīng)用于鋰硫電池以解決上述問題。在這一策略中，二維（2D）GO片和高導(dǎo)電性MXene納米片被整合成三維多孔氣凝膠結(jié)構(gòu)，形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和大的極性表面，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速的鋰離子/電子傳輸，強(qiáng)化學(xué)錨定硫，并促進(jìn)多硫化物之間的氧化還原反應(yīng)。因此，該陰極顯示出良好的硫磺利用率和循環(huán)穩(wěn)定性。所制備的GM電極電池在0.1C條件下測(cè)試了近9個(gè)月，提供了1255.62 mAh-g-1的高初始容量，并在450次循環(huán)后保持615.7 mAh-g-1。本工作闡述了一種新型的具有多功能催化吸附的高效鋰硫電池獨(dú)立凝膠材料，為開發(fā)高性能鋰硫電池提供了新的方向。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1007/s12598-023-02272-6
10、南京林業(yè)大學(xué)《 Nano Energy》：一種具有仿生超結(jié)構(gòu)表面的納米纖維素氣凝膠用于長(zhǎng)效輻射制冷“Bioinspired “aerogel grating” with metasurfaces for durable daytime radiative cooling for year-round energy savings”
傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)通常會(huì)消耗大量的能量并排放二氧化碳溫室氣體，對(duì)地球環(huán)境和人類生存造成較大的負(fù)擔(dān)。輻射制冷是一種被動(dòng)制冷方式，其主要是利用地球與外太空之間的大氣透明窗口（波長(zhǎng)8–13 μm），將地球表面的熱量以熱輻射的形式發(fā)射到外太空。木質(zhì)纖維素由于其獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)，在日間輻射制冷領(lǐng)域受到了一定的關(guān)注。但是，傳統(tǒng)的纖維素基日間輻射制冷材料存在太陽光反射率不高和戶外長(zhǎng)時(shí)間使用性差等問題，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。
南京林業(yè)大學(xué)蔡晨陽、付宇教授和德國(guó)哥廷根大學(xué)張凱教授在《Nano Energy》上發(fā)表論文，通過向大自然學(xué)習(xí)，采用仿生構(gòu)建的思路，以納米纖維素晶為原料，發(fā)展了二元“限域”定向冷凍干燥新技術(shù)以構(gòu)建一種具有表面超結(jié)構(gòu)的輻射制冷氣凝膠材料，優(yōu)化了其太陽光反射率、熱導(dǎo)率、紅外發(fā)射率以及環(huán)境穩(wěn)定性，最終實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效穩(wěn)定的日間輻射制冷功效。熱能模擬計(jì)算表明在世界18個(gè)地區(qū)采用該氣凝膠鋪設(shè)房屋屋頂，可以實(shí)現(xiàn)全年制冷節(jié)能約47%的效果。該工作為制備高性能長(zhǎng)效使用的綠色降溫材料提供了一種可行的思路。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108625
