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(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、四川大學(xué)《Carbon》：超輕、堅(jiān)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(zhì)寬有效吸收帶、優(yōu)異機(jī)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(shí)實(shí)現(xiàn)這些性能仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。四川大學(xué)王延青課題組在《Carbon》期刊發(fā)表論文，研究報(bào)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(xué)交聯(lián)方式。通過單向循環(huán)凍融交聯(lián)CNF和CNT可以構(gòu)建具有優(yōu)異力學(xué)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(gòu)建了一種可持續(xù)的仿生雙網(wǎng)絡(luò)互穿策略，從而能夠創(chuàng)建疏水/親水納米纖維的混合雙網(wǎng)絡(luò)。在冷凍鑄造的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種常溫干燥和非化學(xué)交聯(lián)工藝制備具有各向異性結(jié)構(gòu)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(zhì)、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(chǎn)策略。
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https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118150
2、哈工大《Carbon》：Ni/C復(fù)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?yàn)槠洫?dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)為電磁波的傳播和衰減奠定了良好的基礎(chǔ)。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(jié)構(gòu)、調(diào)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(xué)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(dǎo)大塊Ni-MOF顆粒的拓?fù)渥冃危捎山宦?lián)纖維組裝的Ni-MOF氣凝膠，然后通過可控的高溫?zé)峤鈱⒃撝虚g氣凝膠轉(zhuǎn)化為最終的Ni / C復(fù)合氣凝膠（NCCAs）。這種新策略實(shí)現(xiàn)了磁性金屬納米顆粒在整個(gè)碳骨架中的高負(fù)載和均勻分散。與各種Ni/C復(fù)合材料相比，氣凝膠結(jié)構(gòu)和MOFs轉(zhuǎn)化的綜合優(yōu)勢(shì)不僅使NCCA-2成為高性能EWAMs的一個(gè)極具競(jìng)爭(zhēng)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?fù)銶OFs變形和隨后的高溫?zé)峤鈦砩a(chǎn)Ni / C復(fù)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(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了Ni納米顆粒的高含量和均勻分散。結(jié)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(jié)構(gòu)和MOFs轉(zhuǎn)化的優(yōu)點(diǎn)，可能為未來高性能EMWAMs的設(shè)計(jì)和制造提供啟發(fā)。
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https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118132
3、國(guó)科大《Carbon》：新方法！簡(jiǎn)單且低成本的單原子摻雜合成碳?xì)饽z“Ultralow thermal conductivity of single-atom doped carbon aerogel synthesized with a facile ambient-pressure-drying strategy”
碳?xì)饽z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(fù)雜的超臨界干燥技術(shù)和純碳骨架的高導(dǎo)熱性，阻礙了碳?xì)饽z在保溫方面的廣泛應(yīng)用。國(guó)防科技大學(xué)馮軍宗、湖南大學(xué)秦光照教授等在《Carbon》期刊發(fā)表論文，研究開發(fā)了一種簡(jiǎn)便的常壓干燥技術(shù)，通過催化單體在鐵溶膠下的聚合反應(yīng)來合成Fe-N4摻雜的碳?xì)饽z，以共聚物F127作為濕水凝膠的增強(qiáng)相。
整個(gè)過程沒有任何溶劑交換或老化過程。所制備的碳?xì)饽z在室溫下具有0.048 W/(m ? K)的超低熱導(dǎo)率，在常壓干燥過程中可忽略2%的收縮率，并且在10%的應(yīng)變下具有0.58 MPa的優(yōu)良機(jī)械行為。碳纖維增強(qiáng)碳?xì)饽z的導(dǎo)熱性在1100℃時(shí)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(jì)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(dǎo)率降低10倍以上。這項(xiàng)工作提出了一種簡(jiǎn)便和低成本的方法來合成具有單原子摻雜的碳?xì)饽z，在隔熱方面有很好的應(yīng)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(jí)SiC-石墨烯復(fù)合氣凝膠負(fù)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(jìn)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(diǎn)不足、低電導(dǎo)率和緩慢的水解過程的限制。西安交通大學(xué)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(zhǎng)SiC納米線（SiCnw），構(gòu)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(fù)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(fù)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(fù)合氣凝膠的分層結(jié)構(gòu)、RGO的高導(dǎo)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(diǎn)。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(jì)算表明，該復(fù)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(xiàng)研究為設(shè)計(jì)基于MoS2的分層電催化劑以實(shí)現(xiàn)高效的pH值通用氫氣進(jìn)化開辟了一條創(chuàng)造性的途徑，并為在HER中大規(guī)模生產(chǎn)基于MoS2的電催化表現(xiàn)出巨大潛力，為設(shè)計(jì)高效多級(jí)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(jì)大學(xué)《JMCA》：3D層狀/柱狀RGO/CNT氣凝膠，用于高性能可壓縮電子產(chǎn)品“Designing free-standing 3D lamellar/pillared RGO/CNTs aerogels with ultra-high conductivity and compressive strength for elastic energy devices”
機(jī)械可壓縮能源裝置是為柔性和便攜式電子產(chǎn)品供電的最有希望的候選者之一，但在高壓縮應(yīng)變下，它們的性能穩(wěn)定性通常有限。同濟(jì)大學(xué)陳濤教授團(tuán)隊(duì)在《J. Mater. Chem. A》期刊發(fā)表論文，研究展示了一種具有高導(dǎo)電性和抗壓強(qiáng)度的還原氧化石墨烯/碳納米管（RGO/CNTs）復(fù)合氣凝膠，用于高性能的彈性能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)設(shè)備。
通過簡(jiǎn)單的溶液方法將碳納米管生長(zhǎng)催化劑負(fù)載在RGO氣凝膠中，然后通過化學(xué)氣相沉積法在RGO層之間直接生長(zhǎng)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(dǎo)率（214.7 S m−1）和抗壓強(qiáng)度（73.6 kPa），優(yōu)于先前報(bào)告的大多數(shù)結(jié)果。使用RGO/CNTs衍生的復(fù)合氣凝膠作為電極， 得到的超級(jí)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(fù)壓縮循環(huán)后，也表現(xiàn)出出色的壓縮穩(wěn)定性而不會(huì)降低性能。此外，基于RGO/CNTs衍生氣凝膠的壓電納米發(fā)電機(jī)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(gè)高效的平臺(tái)，加載其他功能材料，用于其他具有高性能的彈性電子產(chǎn)品。
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https://doi.org/10.1039/D3TA01531A
6、煙臺(tái)大學(xué)《ACS AMI》：受樹木啟發(fā)制備三維CS-石墨烯/PPy復(fù)合氣凝膠，可實(shí)現(xiàn)高效的太陽(yáng)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(gè)高效的過程，其中水通過樹干和樹枝內(nèi)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(wǎng)絡(luò)，在吸收和輸送低流動(dòng)阻力的水方面具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。煙臺(tái)大學(xué)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(jié)構(gòu)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?qū)R結(jié)構(gòu)，通過定向冷凍過程實(shí)現(xiàn)高效的太陽(yáng)能水凈化。
3D氣凝膠內(nèi)的徑向多孔壁和垂直排列的通道能夠促進(jìn)高光吸收，定位轉(zhuǎn)換的熱量，快速的水傳輸和鹽水自排放。在1次太陽(yáng)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(chǎn)中實(shí)現(xiàn)了連續(xù)的淡水，沒有固體鹽結(jié)晶。除了實(shí)現(xiàn)海水淡化外，所得氣凝膠還可以通過太陽(yáng)能蒸餾凈化有機(jī)廢水和乳液，并具有高速連續(xù)產(chǎn)水。通過模仿針葉樹的結(jié)構(gòu)，成功地設(shè)計(jì)和制造了一個(gè)具有垂直和徑向排列結(jié)構(gòu)的CRP徑向氣凝膠，通過徑向冰模板的組裝。作者預(yù)計(jì)，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(yáng)能收集等領(lǐng)域?qū)⒌玫綐O大的啟發(fā)。
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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(fù)合氣凝膠協(xié)同去除水體二元污染物中絡(luò)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(yīng)用效果、分子構(gòu)筑及去除機(jī)理，突出了其作為環(huán)境功能材料通過絡(luò)合-吸附-降解的協(xié)同工藝在水體微（痕）量及絡(luò)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(fù)合材料活化催化過硫酸鹽降解水體重金屬配合物和有機(jī)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(chǎn)生自由基和非自由基而進(jìn)行自催化降解和催化有機(jī)物降解，對(duì)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(qiáng)的彈性和抗疲勞性“Highly cross-linked carbon tube aerogels with enhanced elasticity and fatigue resistance”
碳?xì)饽z具有彈性、機(jī)械強(qiáng)度和抗疲勞性，以其在軟機(jī)器人、壓力傳感器等領(lǐng)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(yīng)用。西安交通大學(xué)王紅潔教授團(tuán)隊(duì)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(bào)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(qiáng)度和高達(dá)99%的完全可回收應(yīng)變。
它們具有高抗疲勞性（在99%應(yīng)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(dá)2500°C。此外，它們還具有可調(diào)電導(dǎo)率和電磁屏蔽。機(jī)械和多功能特性的結(jié)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?cè)诟鞣N實(shí)際應(yīng)用中具有巨大的應(yīng)用潛力，例如可穿戴電子產(chǎn)品和高精度壓力傳感器等應(yīng)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(fù)合氣凝膠，用于高性能非對(duì)稱超級(jí)電容器“Three-Dimensional Graphene-Wrapped CoSe2 Nanowires for High-Performance Asymmetric Supercapacitors”
上海電力大學(xué)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(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出良好的多尺度和多維多孔納米結(jié)構(gòu)，形成了具有豐富離子傳輸通道、高比表面積和優(yōu)良導(dǎo)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(jié)劑電極，在1 A g-1時(shí)具有1272 F g-1的高比容量，當(dāng)電流密度增加到10 A g-1時(shí)具有1156 F g-1的出色速率能力。所制備的不對(duì)稱超級(jí)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(kù)侖效率為96.19%。評(píng)估了柔性非對(duì)稱超級(jí)電容器（ASC）裝置在不同彎曲角度下的性能，并確認(rèn)了其放電穩(wěn)定性，這表明其在實(shí)際應(yīng)用中的潛力。此外，兩個(gè)串聯(lián)的3DG/CoSe2NWs//AC ASCs（1cm×3cm）能夠點(diǎn)亮LED燈，突出了該裝置的前景。3DG/CoSe2NWs電極作為可穿戴電子設(shè)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(xué)丁彬/斯陽(yáng)《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(dá)“Meta-Aerogel Ion Motor for Nanofluid Osmotic Energy Harvesting”
在自然界中，電鰻可以實(shí)現(xiàn)利用離子梯度放電，它的神經(jīng)元介導(dǎo)的電器官可以完全從離子流中產(chǎn)生100W的可怕放電，用于驅(qū)趕捕食者和制服獵物。因此電鰻的結(jié)構(gòu)是滲透壓差電能收集技術(shù)可以學(xué)習(xí)的對(duì)象。電鰻的電器官的典型進(jìn)化特征是成千上萬的細(xì)長(zhǎng)神經(jīng)纖維和電活性細(xì)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(jīng)元纖維產(chǎn)生刺激信號(hào)，促進(jìn)靜止的電細(xì)胞中的離子接近、進(jìn)入，并通過細(xì)胞膜的納米流體通道向細(xì)胞外空間運(yùn)輸，從而產(chǎn)生約75mV的跨細(xì)胞電。通過千上萬的多個(gè)器官堆疊串聯(lián)，能夠?qū)崿F(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(xué)丁彬、斯陽(yáng)團(tuán)隊(duì)構(gòu)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(dá)（NMIMs）為離子傳輸提供納米通道。所得的氣凝膠離子馬達(dá)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(jī)性和可擴(kuò)展性。當(dāng)NMIM系統(tǒng)被用作滲透性發(fā)電裝置時(shí)，能夠在混合天然河水和海水時(shí)產(chǎn)生超過30W m-2的功率密度。這種仿生物元?dú)饽z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(chǎn)生了高達(dá)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。
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https://doi.org/10.1002/adma.202302511
