氣凝膠領(lǐng)域頂刊最新研究進展匯總
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，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項具有代表性的氣凝膠相關(guān)研究進展，旨為在各個領(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“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行有效管理，在超級隔熱、高效電磁屏蔽及力學(xué)防護等領(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）防護方面鮮有報道，且相關(guān)氣凝膠材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念及合成機制尚不明確。無機氣凝膠由于其獨特的性質(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一步發(fā)展。如何通過單一策略協(xié)同增強無機氣凝膠的力熱性能、實現(xiàn)物理性能指標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)同研究員團隊通過構(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損傷及熱應(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維持結(jié)構(gòu)完好，并兼具低密度（~0.017 g/cm3）及高激光防護閾值（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材料的設(shè)計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”
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，實現(xiàn)了氣凝膠力學(xué)性能與熱學(xué)性能的協(xié)同增強，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/碳氣凝膠，用于雷達紅外兼容隱身“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)譚淑娟副教授團隊在《Carbon》期刊發(fā)表論文，研究利用殼聚糖衍生的碳氣凝膠作為載入 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/紅外兼容隱身性能。
在損耗機制傳導(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時的最小 RL可達到 -52.0dB，在 1.6mm時的 EAB為5.2GHz，幾乎覆蓋了整個 Ku 波段。同時，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。這項工作為雷達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)儲能器，在可穿戴設(shè)備中具有相當大的潛力。然而，CNF的非定向組裝導(dǎo)致其機械性能較差，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) 則因其高機械強度而被用作電子傳輸平臺。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，適用于準確檢測各種人類生物和運動信號。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展“Research progress of hydrophobic modification of silica aerogel for oil spill pollution treatment”
石油開采、加工和運輸過程中的石油泄漏污染嚴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、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、孔隙率高等特點外，還具有獨特的憎水/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。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的研究進展，對比總結(jié)了它們的優(yōu)缺點。此外，還介紹了目前HSA作為吸油材料的吸油機理、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的機械性能以及提高其吸油性能等發(fā)展方向進行了展望。
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”
具有高焓值的有機相變材料（PCM）是理想的儲熱和放熱材料，有望促進熱能利用，緩解能源短缺問題。然而，普通有機相變材料固有的吸光性差、導(dǎo)熱性差、形狀穩(wěn)定性弱等缺點嚴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、于中振教授團隊在《ACS Sustainable Chem. Eng.》期刊發(fā)表論文，研究通過在 2800 °C 下進行單向冷凍、凍干、碳化和石墨化，首次設(shè)計出了由預(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1181mV。通過釋放存儲在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，使用相同的材料實現(xiàn)熱傳導(dǎo)和隔熱是一項重大挑戰(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熱絕緣體，在環(huán)境溫度較低（-20°C）時防止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，當工作溫度較高（40°C）時，具有低熱阻的壓縮石墨烯氣凝膠充當熱界面材料，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，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)異機械強度，并且能夠與其它功能性的分子或單元通過物理化學(xué)作用進行復(fù)合改性。這些特點使其在吸能、隔熱、污染物吸附、催化載體、柔性傳感器、儲能電極材料、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)所蘇萌團隊合作提出了一種冷凍輔助轉(zhuǎn)印策略來實現(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)計的墨水以滿足印刷適性要求，在該項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)計的“冰塊”進行多次轉(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，實驗中驗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，氣凝膠的毛細管通透性得到改善，從而促進了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，為進一步提高氣凝膠優(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)計用于 MSR 反應(yīng)的特定催化劑時必須解決這些問題。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。在這次概念驗證中，焦耳加熱驅(qū)動催化劑的高催化活性為進一步設(shè)計和制造與 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特的物理特性而備受關(guān)注，但其較差的機械特性和功能性的缺乏阻礙了其先進應(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，以實現(xiàn)機械強化和功能增強。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，增強的彈性激發(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，從而實現(xiàn)可定制的設(shè)計。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，進一步豐富了其實用性。因此，BSFC 策略為制造改性石墨烯氣凝膠的先進功能應(yīng)用提供了定制解決方案。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c02491
論文鏈接：
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”
論文鏈接：
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”
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144790
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.110809
