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氣凝膠領(lǐng)域頂刊最新研究進(jìn)展匯總

來源:氣凝膠應(yīng)用技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟 作者: 時(shí)間:2023-08-16

氣凝膠是目前已知的世界上最輕的固體材料,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)域有著廣泛的應(yīng)用前景,被譽(yù)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。

 

本文匯總了近期發(fā)表在各期刊的15項(xiàng)具有代表性的氣凝膠相關(guān)研究進(jìn)展,旨為在各個(gè)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供指導(dǎo)與啟示。

 

1、中科院蘇州納米所《AFM》:超白氮化硼氣凝膠高能激光照射防護(hù)“Super-White Boron Nitride Aerogel-Enabled High-Energy Laser Irradiation Protection”

 

氣凝膠是一種具有連續(xù)三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的超輕固體材料,其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)異的熱學(xué)、光學(xué)及力學(xué)等理化性質(zhì),能夠?qū)ν鈦砟芰窟M(jìn)行有效管理,在超級隔熱、高效電磁屏蔽及力學(xué)防護(hù)等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。然而,氣凝膠在極端環(huán)境下的多能量場耦合沖擊(如高能激光)防護(hù)方面鮮有報(bào)道,且相關(guān)氣凝膠材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念及合成機(jī)制尚不明確。無機(jī)氣凝膠由于其獨(dú)特的性質(zhì)已成為目前最具吸引力的材料之一,在超隔熱領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,但其力熱互斥瓶頸難題阻礙了該材料的進(jìn)一步發(fā)展。如何通過單一策略協(xié)同增強(qiáng)無機(jī)氣凝膠的力熱性能、實(shí)現(xiàn)物理性能指標(biāo)性突破是目前面臨的主要挑戰(zhàn)。

 

中科院蘇州納米所張學(xué)同研究員團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)筑納米帶狀的氮化硼基元,發(fā)展得到一種具有輕質(zhì)、高反射特征的超白氮化硼氣凝膠材料氮化硼基元的二維平面形態(tài)具有強(qiáng)的光學(xué)背散射效應(yīng),可作為光學(xué)納米屏障;大的長寬比利于納米基元相互交織形成氣凝膠三維網(wǎng)絡(luò)。氮化硼氣凝膠的高反射特征可實(shí)現(xiàn)對高能激光的有效反射,最大程度減少激光在材料表面熱量的沉積。此外,結(jié)合氮化硼氣凝膠自身低導(dǎo)熱、耐高溫及力學(xué)柔性等特征,可有效降低激光沉積熱量的縱向傳遞,并承受激光衍生的局域高溫場所帶來的高溫?fù)p傷及熱應(yīng)力沖擊。多種因素協(xié)同,保證超白氮化硼氣凝膠在高能激光輻照時(shí)維持結(jié)構(gòu)完好,并兼具低密度(~0.017 g/cm3)及高激光防護(hù)閾值(2.1×104 W/cm2),在高能激光領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)異的防護(hù)性能。該工作發(fā)表在國際知名期刊Advanced Functional Materials, 2023, 2304355上。文章第一作者是中科院蘇州納米所柴玉山碩士生與李廣勇副研究員,通訊作者為張學(xué)同研究員。該工作獲得了國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金及中國博士后科學(xué)基金資助。該研究工作為未來輕質(zhì)氣凝膠高能激光防護(hù)材料的設(shè)計(jì)與制備提供新的研究思路。

 

論文鏈接:

https://doi.org/10.1002/adfm.202304355

 

2、哈工大《NSR》:化學(xué)鍵合納米多層無機(jī)氣凝膠:兼具超柔韌性及真空最低熱導(dǎo)率“Chemically bonded multi-nanolayer inorganic aerogel with a record-low thermal conductivity in a vacuum”

 

無機(jī)氣凝膠由于其獨(dú)特的性質(zhì)已成為目前最具吸引力的材料之一,在超隔熱領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,但其力熱互斥瓶頸難題阻礙了該材料的進(jìn)一步發(fā)展。如何通過單一策略協(xié)同增強(qiáng)無機(jī)氣凝膠的力熱性能、實(shí)現(xiàn)物理性能指標(biāo)性突破是目前面臨的主要挑戰(zhàn)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)徐翔教授、張傳偉教授與東南大學(xué)郝夢龍教授通過在石墨烯氣凝膠骨架原位沉積無定形氮化硼鎧裝層,實(shí)現(xiàn)了氣凝膠力學(xué)性能與熱學(xué)性能的協(xié)同增強(qiáng),有望為極端環(huán)境下的超隔熱需求提供新的解決方案。相關(guān)成果發(fā)表于《國家科學(xué)評論》(National Science Review, NSR)。研究者設(shè)計(jì)并制備了月球基地縮尺模型、搭建裝置模擬月球表面晝夜環(huán)境,測試該材料在此類應(yīng)用場景中的隔熱性能。并與石墨烯氣凝膠、六方氮化硼氣凝膠及二氧化硅氣凝膠氈進(jìn)行對比,證明了該材料在極端環(huán)境下的優(yōu)異超隔熱性能。

 

論文鏈接:

https://doi.org/10.1093/nsr/nwad129

 

3、南航《Carbon》:一種環(huán)保型殼聚糖衍生VO2/碳?xì)饽z,用于雷達(dá)紅外兼容隱身“An environmentally friendly chitosan-derived VO2/carbon aerogel for radar infrared compatible stealth”

 

 

隨著軍事探測技術(shù)的發(fā)展,只在單一頻段工作的隱身材料已無法有效地應(yīng)對探測武器的干擾。因此,迫切需要開發(fā)多功能材料來實(shí)現(xiàn)多頻段兼容隱身。南京航空航天大學(xué)譚淑娟副教授團(tuán)隊(duì)在《Carbon》期刊發(fā)表論文,研究利用殼聚糖衍生的碳?xì)饽z作為載入 VO2(VO2/CA)的支架,合成了一種復(fù)合多孔氣凝膠,該氣凝膠具有優(yōu)異的雷達(dá)/紅外兼容隱身性能。

 

在損耗機(jī)制傳導(dǎo)損耗、偶極子極化和界面極化的作用下,該復(fù)合材料在厚度為2.4mm時(shí)的最小 RL可達(dá)到 -52.0dB,在 1.6mm時(shí)的 EAB為5.2GHz,幾乎覆蓋了整個(gè) Ku 波段。同時(shí),VO2/CA 還具有出色的熱隱身特性。就紅外隱身而言,在底部加熱至 120 °C 180 秒后,樣品表面溫度僅為 2.6 °C。這項(xiàng)工作為雷達(dá)紅外隱身兼容材料的研究提供了可行的思路和方案。

 

論文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118313

 

4、中南林科大《IJBM》:受木材啟發(fā)的彈性和導(dǎo)電TOCNF-rGO氣凝膠,用于可穿戴壓力傳感器和超級電容器“Wood-inspired elastic and conductive cellulose aerogel with anisotropic tubular and multilayered structure for wearable pressure sensors and supercapacitors”

 

 

纖維素納米纖維(CNF)氣凝膠作為壓力傳感器和柔性電化學(xué)儲(chǔ)能器,在可穿戴設(shè)備中具有相當(dāng)大的潛力。然而,CNF的非定向組裝導(dǎo)致其機(jī)械性能較差,從而限制了其在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用。中南林業(yè)科技大學(xué)Yan Qing、吳義強(qiáng)教授在《INT J BIOL MACROMOL》期刊發(fā)表論文,研究提出受天然木材微納米結(jié)構(gòu)的啟發(fā),提出了一種兼具彈性和導(dǎo)電性能的各向異性氣凝膠。

 

一維TEMPO纖維素納米纖維 (TOCNF) 被用作結(jié)構(gòu)構(gòu)件,而二維還原氧化石墨烯 (rGO) 則因其高機(jī)械強(qiáng)度而被用作電子傳輸平臺(tái)。通過快速單向冷凍和隨后的蒸汽加熱還原,形成了由多層薄片組成的定向排列管狀結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)在整個(gè)多孔骨架中有效地傳遞了應(yīng)力,使TOCNF-rGO氣凝膠具有很高的可壓縮性和出色的抗疲勞性(60%應(yīng)變下2000次循環(huán))。該氣凝膠還表現(xiàn)出高靈敏度、寬檢測范圍、相對快速的響應(yīng)和優(yōu)異的壓縮循環(huán)穩(wěn)定性,適用于準(zhǔn)確檢測各種人類生物和運(yùn)動(dòng)信號(hào)。此外,TOCNF-rGO可以組裝成柔性的全固態(tài)對稱超級電容器,具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。預(yù)計(jì)這種生物質(zhì)衍生的氣凝膠將成為用于能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)的柔性電子設(shè)備的通用材料,在醫(yī)療健康檢測和可穿戴電子學(xué)方面具有潛在的應(yīng)用前景。

 

論文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.126197

 

5、北科大&中冶建研院《CJE》:面向溢油污染治理的SiO2氣凝膠疏水改性的研究進(jìn)展“Research progress of hydrophobic modification of silica aerogel for oil spill pollution treatment”

 

 

石油開采、加工和運(yùn)輸過程中的石油泄漏污染嚴(yán)重危害了人類和生態(tài)系統(tǒng)的健康,亟需開發(fā)一種成本低、疏水性好、吸附能力強(qiáng)、可循環(huán)使用的新型吸油材料。SiO2氣凝膠(SA)是由納米粒子相互堆積組成的一種高孔隙率、低密度、高比表面積、低熱導(dǎo)率的三維網(wǎng)狀多孔材料。這些特性使其在航空航天(切倫科夫探測器輻射器)、隔熱、吸附(重金屬離子、油和有機(jī)液體等)、催化劑載體等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。然而,傳統(tǒng)溶膠–凝膠法制備的SA表面親水,不適用于從水和油混合物中吸附油。

 

經(jīng)過疏水改性后的SA(HSA)除了具有密度低、比表面積大、孔隙率高等特點(diǎn)外,還具有獨(dú)特的憎水/親油性,非常適用于吸油材料,近年來成為吸油材料方面研究的熱點(diǎn)。HSA的制備方法主要有表面后處理法、共前驅(qū)體法以及氣相氧化法,其中常用的是表面后處理法和共前驅(qū)體法。

 

本文主要圍繞表面后處理法和共前驅(qū)體法,介紹了兩種方法結(jié)合超臨界干燥和常壓干燥制備HSA的研究進(jìn)展,對比總結(jié)了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。此外,還介紹了目前HSA作為吸油材料的吸油機(jī)理、吸油性能、混合油的吸附及吸油循環(huán)使用性能(再生性),并對HSA吸油材料朝著開發(fā)低成本且環(huán)境友好的原料、開發(fā)周期短的疏水改性流程、制備大塊體HSA、提高HSA的機(jī)械性能以及提高其吸油性能等發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

 

論文鏈接:

http://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2022.05.03.002

 

6、北化工《ACS SCE》:高質(zhì)量各向異性石墨烯氣凝膠及其導(dǎo)熱相變復(fù)合材料,用于高效太陽能-熱-電能轉(zhuǎn)換“High-Quality Anisotropic Graphene Aerogels and Their Thermally Conductive Phase Change Composites for Efficient Solar–Thermal–Electrical Energy Conversion”

 

 

具有高焓值的有機(jī)相變材料(PCM)是理想的儲(chǔ)熱和放熱材料,有望促進(jìn)熱能利用,緩解能源短缺問題。然而,普通有機(jī)相變材料固有的吸光性差、導(dǎo)熱性差、形狀穩(wěn)定性弱等缺點(diǎn)嚴(yán)重制約了太陽能的吸收、轉(zhuǎn)化和利用。北京化工大學(xué)李曉鋒教授、于中振教授團(tuán)隊(duì)在《ACS Sustainable Chem. Eng.》期刊發(fā)表論文,研究通過在 2800 °C 下進(jìn)行單向冷凍、凍干、碳化和石墨化,首次設(shè)計(jì)出了由預(yù)氧化聚丙烯腈(OPAN)/氧化石墨烯(GO)成分制成的高質(zhì)量各向異性石墨烯氣凝膠。

 

GO成分能有效地誘導(dǎo)OPAN成分的取向和石墨化,并在石墨化過程中將其轉(zhuǎn)化為石墨碳。在用石蠟進(jìn)行真空輔助浸漬后,得到了一種最佳的導(dǎo)熱相變復(fù)合材料(PCC),在石墨烯含量為1.07 Vol%的低水平下,其通面導(dǎo)熱系數(shù)提高到了4.36Wm-1K-1,形狀穩(wěn)定性得到改善,潛熱保持率高達(dá)99.7%。得益于出色的光吸收和太陽-熱轉(zhuǎn)換能力,PCC在太陽-熱-電能量轉(zhuǎn)換應(yīng)用中非常高效,在5kWm-2 的模擬太陽光照射下,輸出電壓高達(dá)1181mV。通過釋放存儲(chǔ)在PCC中的熱能,即使在太陽光停止照射后,它也可以繼續(xù)為LED燈供電。這項(xiàng)工作為制造具有高潛熱保持率的導(dǎo)熱PCC提供了一種可行而有效的方法,用于高效的太陽能-熱能-電能轉(zhuǎn)換。這項(xiàng)研究表明,太陽能-熱能相變復(fù)合材料在收集和利用太陽能方面具有廣闊的潛力,有利于緩解化石能源短缺和太陽能供需不匹配的問題。

 

論文鏈接:

https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.3c02154

 

7、廈門大學(xué)《JMCA》:具有可逆可調(diào)熱阻的石墨烯氣凝膠,用于電池?zé)峁芾?/strong>“Graphene aerogel with reversibly tunable thermal resistance for battery thermal management”

 

 

極端溫度條件下電子設(shè)備的熱管理非常重要。具有低熱阻的碳基材料有利于冷卻電子設(shè)備,而具有高熱阻的氣凝膠則起到隔熱作用。然而,使用相同的材料實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)和隔熱是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。廈門大學(xué)張學(xué)驁 教授、蔡偉偉 教授、張宇鋒 副教授在《J. Mater. Chem. A》期刊發(fā)表論文,研究采用溶劑熱法合成了石墨烯氣凝膠,高溫退火降低了石墨烯氣凝膠的熱阻。具有可調(diào)熱阻的彈性石墨烯氣凝膠使其具有隔熱和導(dǎo)熱的雙重功能成為可能。80%壓縮應(yīng)變的石墨烯氣凝膠的熱阻比原始狀態(tài)低3.3倍。在鋰離子電池(LIB)的熱管理過程中,原始的石墨烯氣凝膠就像一個(gè)熱絕緣體,在環(huán)境溫度較低(-20°C)時(shí)防止LIB的熱量損失,從而使溫度提高9°C,并使LIB的放電容量提高26%。相反,當(dāng)工作溫度較高(40°C)時(shí),具有低熱阻的壓縮石墨烯氣凝膠充當(dāng)熱界面材料,將 LIB 的過多熱量散發(fā)出去,防止過熱。熱阻可調(diào)的彈性石墨烯氣凝膠使其具有隔熱和導(dǎo)熱雙重功能成為可能。研究結(jié)果為LIB和其他工作在寬溫度范圍環(huán)境中的設(shè)備設(shè)計(jì)自適應(yīng)熱管理系統(tǒng)提供了一種新穎的解決方案。

 

論文鏈接:

https://doi.org/10.1039/D3TA03190J

 

8、中航發(fā)&中科院化學(xué)所《JMCC》: 3D 打印氣凝膠圖案與結(jié)構(gòu)的新突破“Freely-shapable fabrication of aerogel patterns and 3D architectures by freeze-assisted transfer printing”

 

利用石墨烯、碳納米管、MXenes 等納米功能材料作為組裝單元來構(gòu)筑三維的氣凝膠,不僅具有低密度、高比表面積、高彈性、高孔隙率和隔熱性能的氣凝膠結(jié)構(gòu)特點(diǎn),還兼具石墨烯等材料優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì),包括良好的導(dǎo)電與導(dǎo)熱性以及優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度,并且能夠與其它功能性的分子或單元通過物理化學(xué)作用進(jìn)行復(fù)合改性。這些特點(diǎn)使其在吸能、隔熱、污染物吸附、催化載體、柔性傳感器、儲(chǔ)能電極材料、電磁屏蔽等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。中國航發(fā)北京航空材料研究院李文博與中科院化學(xué)所蘇萌團(tuán)隊(duì)合作提出了一種冷凍輔助轉(zhuǎn)印策略來實(shí)現(xiàn)圖案化氣凝膠陣列的高效組裝以及復(fù)雜三維氣凝膠結(jié)構(gòu)的自由成型。

 

相比于常規(guī)印刷技術(shù)中需要使用精心設(shè)計(jì)的墨水以滿足印刷適性要求,在該項(xiàng)研究中突破了墨水材料的限制,印刷的對象由液態(tài)的墨水替換成了固態(tài)的“冰塊”,通過研究印版、“冰塊”和基底三者之間的粘附力競爭關(guān)系,解決了印刷的成型控制問題。微型的“冰塊”陣列通過單次印刷,再經(jīng)過冷凍干燥過程,即可獲得大面積的氣凝膠微陣列。采用特定圖案設(shè)計(jì)的“冰塊”進(jìn)行多次轉(zhuǎn)印,則能夠?qū)⑵矫娴膸缀螆D形組裝成為多樣化的立體構(gòu)型,并獲得任意結(jié)構(gòu)的三維氣凝膠,包括常規(guī)3D打印難以實(shí)現(xiàn)的大跨度懸空結(jié)構(gòu)。

 

該策略還具有廣泛的材料兼容性,實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了寬濃度范圍的氧化石墨烯,以及多種納米復(fù)合材料與生物高分子等膠體材料體系。通過材料間的組合及分層制造,可制備出新型的具有梯度結(jié)構(gòu)或異質(zhì)結(jié)構(gòu)的氣凝膠三維結(jié)構(gòu)。采用多層印刷制備的具有密度梯度的氣凝膠三維結(jié)構(gòu)用于柔性傳感,能夠同時(shí)滿足微小形變和大應(yīng)變條件下的高靈敏壓力檢測。通過多材料功能集成設(shè)計(jì)制備了一種拉脹結(jié)構(gòu)的氣凝膠圖案,展示了其在磁場操控可拉伸電子中的應(yīng)用特性。這項(xiàng)關(guān)于冷凍輔助轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)的研究為功能性氣凝膠材料的成型制備及應(yīng)用拓展提供了新的見解。

 

論文鏈接:

https://doi.org/10.1039/D3TC01121F

 

9、福州大學(xué)《JCIS》:PVA/石墨烯/LDH混合氣凝膠,具有輕質(zhì)、防火、抗壓等性能“A Facile Strategy for Constructing Lightweight, Fire Safety and Compression Resistance Poly(vinylalcohol) Aerogels with Highly-efficient Expansible Graphene Oxide/Layered Double Hydroxides Hybrid Synergistic Flame Retardant”

 

 

聚乙烯醇(PVA)氣凝膠具有優(yōu)異的環(huán)保性能,一直被認(rèn)為可以取代不可降解的聚合物泡沫。然而,由于高易燃性、親水性和較差的抗壓性能,PVA氣凝膠一直被排除在實(shí)用之外。福州大學(xué)鄭玉嬰 教授、施永乾等研究人員在《J COLLOID INTERF SCI》期刊發(fā)表論文,研究通過冷凍干燥法和靜電吸附阻燃劑法制備了具有防火安全性和耐壓性能的PVA/可膨脹氧化石墨烯(EGO)/層狀雙氫氧化物(LDHs)(PGL)氣凝膠。

 

本研究采用冷凍干燥工藝制備了輕質(zhì)PVA/EGO/LDHs氣凝膠。在這里,由于EGO片材與PVA基體之間的化學(xué)反應(yīng),LDHs片材很容易通過形成氫鍵來固定孔隙結(jié)構(gòu),從而使抗壓強(qiáng)度迅速提高。PVA氣凝膠可燃性的降低歸因于EGO和LDHs片材在燃燒過程中的阻隔效應(yīng)、炭化效應(yīng)和熱吸附能力。此外,吸附LDHs后,由于LDHs堵塞了大部分開孔通道,氣凝膠的毛細(xì)管通透性得到改善,從而促進(jìn)了PVA氣凝膠在長期使用過程中的疏水性能。EGO的加入不僅促進(jìn)了優(yōu)異的炭化效果,而且為其他陽離子阻燃劑的靜電吸附提供了位點(diǎn),為進(jìn)一步提高氣凝膠優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、阻燃性和抗壓性提供了光源。

 

論文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.07.028

 

10、東華大學(xué)《Carbon》:焦耳加熱碳納米纖維氣凝膠負(fù)載催化劑,用于甲醇蒸汽重整制氫“A Joule-heated carbon nanofiber aerogel-supported catalyst for hydrogen production via methanol steam reforming”

 

 

在甲醇蒸汽轉(zhuǎn)化(MSR)工藝中,含銅(Cu)催化劑因其來源豐富、成本低廉、低溫活性高而備受青睞。在運(yùn)行過程中,含銅催化劑通常由外部熱源加熱,而且最常用的是宏觀粉末狀催化劑,這就導(dǎo)致了溫度分布不均勻、傳質(zhì)/傳熱不均勻、加熱速度慢以及更換困難等問題。因此,在設(shè)計(jì)用于 MSR 反應(yīng)的特定催化劑時(shí)必須解決這些問題。東華大學(xué)俞彬博士、黃濤 副教授、Tao Huang等研究人員在《Carbon》期刊發(fā)表論文,研究采用簡便的一鍋法制備了一種三維焦耳加熱碳納米纖維氣凝膠(CNFA)支撐催化劑(Cu/CNFA-op10),并進(jìn)行了催化評估。

 

研究發(fā)現(xiàn),均勻的溫度分布、有效的熱量/質(zhì)量/電子傳導(dǎo)以及均勻分布的Cu納米顆粒是該催化劑具有優(yōu)異催化活性的原因。此外,還發(fā)現(xiàn) CNFA 支持的催化劑失活是由 Cu0/+ 納米顆粒的聚集和燒結(jié)、活性位點(diǎn)表面無定形碳的沉積以及活性顆粒的化學(xué)態(tài)轉(zhuǎn)變造成的。在這次概念驗(yàn)證中,焦耳加熱驅(qū)動(dòng)催化劑的高催化活性為進(jìn)一步設(shè)計(jì)和制造與 MSR 反應(yīng)相關(guān)的三維整體催化劑提供了一種新策略。

 

論文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118311

 

11、新加坡國立大學(xué)《ACS NANO》:通過共混紡輔助冷凍鑄造的可定制彈性多功能石墨烯氣凝膠“Customizable Resilient Multifunctional Graphene Aerogels via Blend-spinning assisted Freeze Casting”

 

 

石墨烯氣凝膠因其獨(dú)特的物理特性而備受關(guān)注,但其較差的機(jī)械特性和功能性的缺乏阻礙了其先進(jìn)應(yīng)用。新加坡國立大學(xué)Yong Yang、Wei Zhai等研究人員在《 ACS Nano》期刊發(fā)表論文,研究提出了一種混合-紡絲輔助冷凍鑄造(BSFC)策略,將顆粒改性碳纖維加入石墨烯氣凝膠中,以實(shí)現(xiàn)機(jī)械強(qiáng)化和功能增強(qiáng)。這種方法為創(chuàng)造可定制的多材料、多尺度結(jié)構(gòu)石墨烯氣凝膠提供了極大的自由度。例如,我們制造了碳化硅顆粒改性碳纖維增強(qiáng)石墨烯(SiC/CF-GA)氣凝膠。所制備的氣凝膠具有超輕、高彈性、抗疲勞壓縮(50%應(yīng)變下1000次循環(huán))等優(yōu)異性能。


同時(shí),增強(qiáng)的彈性激發(fā)了 SiC/CF-GA 氣凝膠的有效應(yīng)變傳感能力,其靈敏度高達(dá)13.8 kPa-1。由于加入了碳化硅顆粒,氣凝膠的介電性能可調(diào),因此具有寬帶(8.0 GHz)有效電磁波衰減性能。此外,還可以通過 BSFC 策略在石墨烯氣凝膠中加入不同的顆粒,從而實(shí)現(xiàn)可定制的設(shè)計(jì)。此外,改性氣凝膠還具有多功能性,包括吸音、隔熱、防火和防水,進(jìn)一步豐富了其實(shí)用性。因此,BSFC 策略為制造改性石墨烯氣凝膠的先進(jìn)功能應(yīng)用提供了定制解決方案。

 

論文鏈接:

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c02491

 

12、中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)《CEJ》:自漂浮型共價(jià)有機(jī)骨架/殼聚糖氣凝膠用于有效去除磺胺甲基嘧啶“Robust self-floating covalent organic framework/chitosan aerogels for the efficient removal of sulfamerazine”
COFs是一類新型的多孔有機(jī)結(jié)晶聚合物,由于其規(guī)則的孔徑、大的比表面積、良好的熱/化學(xué)穩(wěn)定性以及易于改性等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于氣體存儲(chǔ)、催化、分離等領(lǐng)域。中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)材料與化學(xué)學(xué)院黃理金副教授和帥琴教授團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊Chemical Engineering Journal上發(fā)表論文,文中提出了一種化學(xué)/物理雙交聯(lián)策略,在溫和條件下制備了一系列機(jī)械性能穩(wěn)定、可壓縮的共價(jià)有機(jī)框架/殼聚糖(COF/CS)氣凝膠材料。化學(xué)交聯(lián)(席夫堿)和物理相互作用(如靜電和氫鍵)的相互協(xié)同使COF-TpPa-SO3H與CS形成具有穩(wěn)定性三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氣凝膠。此外,還可以通過調(diào)整加工參數(shù),控制COF/CS氣凝膠中COF與CS的比例及其尺寸。所得的COF/CS氣凝膠具有高度多孔的結(jié)構(gòu)和低的密度,使其具有自漂浮性能,便于實(shí)際應(yīng)用和循環(huán)回收利用。由于這些獨(dú)特的性質(zhì),TpPa-SO3H/CS氣凝膠可有效去除水溶液中的磺胺甲基嘧啶,不僅表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附能力,且具有非常好的重復(fù)使用性能。該方法為生產(chǎn)高壓縮COF氣凝膠提供了一種簡便、環(huán)保且可擴(kuò)展的方法,有利于進(jìn)一步推動(dòng)COFs在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的的實(shí)際應(yīng)用。

 

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https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144966

 

13、南京工業(yè)大學(xué)《JWPE》:一種受貽貝啟發(fā)的新型層狀蒙脫土基復(fù)合氣凝膠,用于高效去除重金屬離子“A novel mussel-inspired layered montmorillonite-based composite aerogel for high-efficiency removal of heavy metal ions”

 

隨著人類社會(huì)的發(fā)展,大量含有重金屬離子的工業(yè)廢水污染了各個(gè)水系,對生態(tài)環(huán)境造成巨大威脅。吸附被廣泛認(rèn)為是多功能、經(jīng)濟(jì)高效且最有效的廢水處理方法之一,具有效率高、操作簡單、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。吸附在表面的金屬離子可以與水中分離并隨吸附劑一起回收,不會(huì)對廢水產(chǎn)生二次污染。吸附劑的吸附能力主要由比表面、結(jié)構(gòu)特征和可吸附的官能團(tuán)數(shù)量決定。
對于吸附材料來說,高吸附性能、穩(wěn)定性、環(huán)境友好性、可再生性和低成本是吸附材料應(yīng)用的關(guān)鍵。2019年,IUPAC提出“十大新興化學(xué)技術(shù),與其他新興技術(shù)相比,氣凝膠具有高孔隙率、高比表面積和可控的表面基團(tuán),使其具有更多的吸附位點(diǎn),有望應(yīng)用于重金屬離子處理。蒙脫石 (MMT) 是一種豐富且廉價(jià)的粘土礦物,具有獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu),大的比表面積、表面可交換的陽離子和活性-OH基團(tuán)使得MMT能夠吸附各種重金屬離子。在未對蒙脫土原料進(jìn)行任何改性的情況下,其吸附能力低于預(yù)期。其吸附速率和容量仍有提高的潛力。
受貽貝粘附蛋白的啟發(fā),聚多巴胺(PDA)的表面化學(xué)改性已成為材料表面改性的通用方法,PDA因其優(yōu)異的生物相容性和強(qiáng)粘附力而受到環(huán)境領(lǐng)域的極大關(guān)注。基于此,南京工業(yè)大學(xué)崔升教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地將PDA改性MMT應(yīng)用金屬離子,制備了一種新型的PDA-mMMT/CS氣凝膠。通過XPS,SEM和EDS掃描,獲得了樣品在吸附理前后的變化以及元素分布,使用XRD探究了PDA的改性對MMT微觀結(jié)構(gòu)的影響。最后通過吸附動(dòng)力學(xué),熱力學(xué)研究,對金屬離子吸附過程與金屬離子吸附機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。該項(xiàng)工作為開發(fā)高性能的氣凝膠吸附材料提供了一種新思路。

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https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2023.104075

 

14、重慶交通大學(xué)《CEJ》:高度可壓縮、重量輕且堅(jiān)固的氮摻雜石墨烯復(fù)合氣凝膠,用于靈敏的壓力傳感器“Highly Compressible, Light-Weight and robust Nitrogen-Doped graphene composite aerogel for sensitive pressure sensors”

 

在競爭激烈的智能電子時(shí)代,對具有可靠機(jī)械性能和高響應(yīng)靈敏度的可壓縮多功能碳?xì)饽z的需求日益增長。重慶交通大學(xué)向旭團(tuán)隊(duì)等在《Chemical Engineering Journal》期刊發(fā)表論文,研究提出了一種新型氮摻雜石墨烯復(fù)合氣凝膠,該氣凝膠具有優(yōu)異的堅(jiān)固性、彈性和輕質(zhì)特性。其合成過程包括將氧化石墨烯(GO)、多巴胺(DA)和聚苯胺(PANI)的分散體結(jié)合在一起,然后進(jìn)行化學(xué)還原、90 °C交聯(lián)、冷凍干燥和退火。柔性DA與石墨烯片的結(jié)合增強(qiáng)了復(fù)合凝膠的韌性,而PANI與石墨烯片之間的π-π堆疊作用則加強(qiáng)了氣凝膠的框架。在DA和PANI的共同作用下,得到的復(fù)合氣凝膠(GDPA)具有優(yōu)異的強(qiáng)度、韌性和可壓縮性。此外,GDPA被組裝成壓力傳感器,表現(xiàn)出優(yōu)異的壓縮循環(huán)穩(wěn)定性。該傳感器實(shí)現(xiàn)了0 Pa的低檢測限和0至25.48 kPa的寬檢測范圍,超過了之前報(bào)道的大多數(shù)石墨烯基氣凝膠的性能。GDPA的卓越性能表明其在醫(yī)療檢測、可穿戴電子設(shè)備和智能包裝領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

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https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144790

 

15、東北林業(yè)大學(xué)《CPBE》:一種三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)隔熱、防火的生物基氣凝膠“High-strength, thermal-insulating, fire-safe bio-based organic lightweight aerogel based on 3D network construction of natural tubular fibers”
現(xiàn)代社會(huì)對建筑保溫、儲(chǔ)能、吸聲材料的需求量每年呈指數(shù)級增長。有機(jī)保溫材料因其重量輕、導(dǎo)熱系數(shù)低、易成型等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于保溫、儲(chǔ)能等領(lǐng)域。而傳統(tǒng)的有機(jī)保溫材料多來自于擠壓聚苯板、發(fā)泡聚苯板、聚氨酯泡沫等石化基材料,其在生產(chǎn)加工過程中能耗高且不降解,給社會(huì)帶來巨大的能源和環(huán)境壓力。
在“雙碳”戰(zhàn)略背景下,開發(fā)可持續(xù)保溫、儲(chǔ)能、吸聲材料的解決方案成為重點(diǎn)。因此,利用纖維素、木質(zhì)素、海藻酸鹽、殼聚糖等生物基原料制備可持續(xù)有機(jī)保溫材料,有望取代具有類似性能的石化基保溫材料。在這些生物材料中,纖維素作為地球上儲(chǔ)量最大的生物基原料,是最有前途的替代材料,在絕緣、吸附、儲(chǔ)能、電子、電氣等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而,隨著高端制造業(yè)的不斷發(fā)展,纖維素基材料在結(jié)構(gòu)構(gòu)造和多功能化方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)。通常材料的結(jié)構(gòu)決定其性能,天然管狀結(jié)構(gòu)影響其在自然界的保溫性能,如鳥類的羽毛、北極熊的毛發(fā)等。而傳統(tǒng)的纖維素基管狀氣凝膠制備方法,如模板法、引入無機(jī)管狀材料等,較為復(fù)雜,對材料綜合性能影響較大。因此,尋找一種天然的、可回收的、可持續(xù)的管狀生物基原料作為纖維素基氣凝膠的基地材料是一條新的途徑。
東北林業(yè)大學(xué)阻燃材料分子設(shè)計(jì)與制備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室徐苗軍教授和劉魯斌教授于期刊《Composites Part B:Engineering》發(fā)表論文,在開發(fā)生物基隔熱氣凝膠取得新進(jìn)展,該團(tuán)隊(duì)提出以天然中空隔熱動(dòng)物毛發(fā)為靈感,采用中空木棉纖維(KF)、粘結(jié)劑聚乙烯醇(PVA)和阻燃交聯(lián)劑膦酸雙胍酯(BGP)構(gòu)建了管狀氣凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過冷凍成型和冷凍干燥,成功制備了集保溫、高強(qiáng)、防火為一體的多功能管狀氣凝膠由于分子間氫鍵和粘結(jié)劑的高粘度,KF保持了高填充、全組分和高價(jià)值利用率。與純KF相比,KF- PVA - BGP氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)降低到0.0531 W/mK,抗壓強(qiáng)度提高到1.64 MPa。同時(shí),阻燃交聯(lián)劑BGP的摻入促進(jìn)了KF-PVA氣凝膠的降解和炭化,并在分解過程中釋放出大量惰性氣體,有效地發(fā)揮了凝聚相和氣相的阻燃作用。此外,與商用PS保溫板相比,KF-PVA-BGP復(fù)合材料除了具有優(yōu)異的保溫和防火性能外,還具有可回收、可持續(xù)和可生物降解的特點(diǎn)。該KF-PVA-BGP氣凝膠在保溫、儲(chǔ)能和新能源領(lǐng)域替代傳統(tǒng)石化基材料具有良好的應(yīng)用前景。

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https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.110809