2019年气凝胶最新研究成果梳理

气凝胶又称为干凝胶。当凝胶脱去大部分溶剂,使凝胶中液体含量比固体含量少得多,或凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体,外表呈固体状。作为世界最轻的固体,已入选吉尼斯世界纪录。这种新材料密度仅为3.55千克每立方米,仅为空气密度的2.75倍;干燥的松木密度(500千克每立方米)是它的140倍。

气凝胶现在在很多领域都得到利用。作为隔热材料能有效地透过太阳光,并阻止环境温度的红外热辐射,成为一种理想的透明隔热材料,在太阳能利用和建筑物节能方面已经得到应用。在储能器件方面由于硅气凝胶的纳米网络内形成量子点结构,化学气相渗透法掺Si及溶液法掺C60的结果表明,掺杂剂是以纳米晶粒的形式存在,并观察到很强的可见光发射,为多孔硅的量子限制效应发光提供了有力证据。

还可以制作宇航服,具有防弹功能,处理生态灾难。12月3日消息,小米有品上架了一款气凝胶防风防泼水热能外套,号称拥有保暖黑科技。能够隔绝温度以抵御寒冷和高温。看似“弱不禁风”,其实与厚羽服拥有相同的锁暖效果。

作为材料界的宠儿,气凝胶得到了国内外学者的广泛研究。研究成果涉及多方面。本文罗列了近期国内高校研究团队的最新研究成果。详细内容如下:

1、可编程超轻磁性气凝胶

近日,来自北京航空航天大学的谢勇、陈子瑜和科罗拉多大学博尔德分校的Ivan Smalyukh合作领导的研究小组制备了可编程超轻的磁性气凝胶,有望用于航空航天飞行器及智能器件领域,从而减轻设备质量,降低运行成本,同时实现人和设备的远程、非接触互动。

超轻磁性气凝胶的制备流程
超轻磁性气凝胶的制备流程

将铁磁纳米颗粒均匀地分散于气凝胶前驱物溶液中,然后施加均匀的磁场使铁磁颗粒拥有一致的磁化取向,等待溶液逐渐固化后,铁磁颗粒将紧束缚在网络结构中,从而保持一致的磁化方向,最后通过临界干燥,获得密度仅为0.12 kg m-3的超轻磁性气凝胶-即“空气磁体”(aero-magnet)。

这些超轻材质和可编程磁畴的性质,发展的“空气磁体”还具有良好的疏水性和绝热性,可以适用于真空、低温的太空环境,以及潜在的节能材料领域。

2、实现秒级溶致形状记忆效应的可拉伸气凝胶

形状记忆材料是一种能在外界环境变化中自主改变自身形状的新型智能材料;而溶致形状记忆材料因其非加热的响应方式进一步拓宽了形状记忆材料的应用范围。

南京工程学院王倡春教授和南京理工大学应三九教授利用聚己内酯(PCL)/氧化石墨烯(GO)混合溶液的溶胶-凝胶转变与氧化石墨烯自组装形成微米级规则圆形泡孔结构的气凝胶。

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这种规则的泡孔结构赋予气凝胶高可拉伸性。该气凝胶中相互贯通的泡孔由纳米级的聚己内酯片层构成。聚己内酯纳米片在乙酸乙酯作用下,迅速产生皱褶,从而使气凝胶实现秒级溶致形状记忆效应。

A new type of stretchable poly(caprolactone)/graphene oxide (PCL/GO) aerogel with fast chemo‐responsive shape memory effect is fabricated by one‐step method of a sol‐gel procedure. The PCL/GO aerogels show uniformly circular and interconnected pores formed by twisted PCL nanolayers. GO platelets improve the crystallinity of PCL and increase the fracture stress and strain by 150% and 300% respectively, although the GO loading is only 0.5%. The dramatic increment of break strain is attributed to the uniform and circular pores that can afford large deformation and the interaction of GO and PCL. The aerogels can be programmed by external stress at ambient temperature without heating and recover upon ethyl acetate (EA) in 1 s. The fast chemo‐responsive shape recovery is ascribed to the fast wrinkle of the PCL nanolayers that decrease the diffusion time greatly and the interconnected micrometer pores that are in favor of penetrating for EA molecules.

相关PDF文档:Fast Chemo‐Responsive Shape Memory of Stretchable Polymer Nanocomposite Aerogels Fabricated by One‐Step Method

3、高活性ZnO-ZrO2气凝胶用于CO2加氢制芳烃

一般认为混合氧化物表面的氧空位在 CO2 的吸附和活化过程中扮演重要角色。氧空位的形成可以通过部分还原处理或者杂原子掺杂的方法来促进。

厦大王野教授研究小组通过结合溶胶凝胶法和超临界干燥法合成了具有高比表面的 ZnO-ZrO2 气凝胶,在经过 500 摄氏度煅烧后仍然保持 124 m2 g–1 的比表面积,显著高于文献报道的 ZnO-ZrO2 混合氧化物比表面积(约 50 m2 g–1)。

经超临界方法干燥后,ae-ZnO-ZrO2 的比表面积可以达到 471 m2 g–1。

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研究发现利用超临界干燥法制得的 ZnO–ZrO2 气凝胶,具有高比表面积和高氧空位密度,且氧空位密度与甲醇中间体的生成速率成线性关系,证实了氧空位为 CO2 的吸附活化位点。

研究主要针对双功能体系催化 CO2 加氢制备芳烃过程中时空收率低的问题,设计合成了小粒径,高比表面,高氧空位含量的 ZnO–ZrO2 气凝胶作为活化 CO2 的组分,耦合 H-ZSM-5 分子筛后明显提高了芳烃的时空收率。

4、高容量无枝晶金属锂负极的MXene/石墨烯气凝胶

大连化物所二维材料与能源器件研究组(DNL21T3)吴忠帅研究员团队发展了一种三维高导电、亲锂性的MXene/石墨烯多孔气凝胶新材料,并将其应用于高锂载量、高容量、无枝晶金属锂负极,获得了高比能、长寿命锂金属电池。

团队开发出一种三维MXene/石墨烯多孔气凝胶材料,并将其用作锂金属的载体,成功构筑出柔性的、高锂载量(3560 mAh g-1)的金属锂负极复合材料。

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三维MXene/石墨烯气凝胶材料具有高比表面积(259 m2 g-1)、优异导电性、良好的亲锂性能,实现了高的库伦效率(99%),显著提高了金属锂负极的循环稳定性(2700 h),远高于目前文献中报道值。相关研究成果发表在《美国化学会·纳米》(ACS Nano)上。

5、零收缩超薄轻质石墨烯气凝胶吸波材料

近日,东华大学范宇驰、王连军团队报道了一种以乙醇为溶剂,3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)为表面改性剂同时也作为交联剂的石墨烯气凝胶制备新方法,避免了传统方法制备石墨烯气凝胶出现的体积收缩问题,并实现密度的精确调控,吸波性能可以通过调节氧化石墨烯浓度来进行调控。

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在K波段,厚度仅为1.14 mm时,反射损耗达到-50.3 dB,此外,引入磁性核壳结构Fe3O4@C后,可以进一步提升吸波性能,Fe3O4@C/GA最低反射损耗为-54 dB,厚度仅为0.99mm,实现了密度可控,轻质,强吸收的优点。相关工作以“Ultrathin and Lightweight Graphene Aerogel with Precisely Tunable Density for Highly Efficient Microwave Absorbing”为题发表在国际著名期刊 《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

部分PDF:Ultrathin and Lightweight Graphene Aerogel with Precisely Tunable Density for Highly Efficient Microwave Absorbing

这种新颖的密度可控石墨烯气凝胶材料将为5G通信设备中先进吸波材料的设计制备提供借鉴。

 

6、CNT气凝胶——高效稳定的氧还原催化剂

武汉科技大学周盈科教授团队制备了一种三维氮掺杂碳纳米管(N-CNT)气凝胶催化剂,用于稳定地高效催化ORR。研究团队以聚吡咯为前驱体,采用便利的“原位”掺杂策略,在不同退火温度(500, 700, 900, 1050oC)下进行热解处理得到N-CNT气凝胶。

通过一系列的表征可知,由于具有较高的石墨化程度和合适的掺氮构型,PPy/C-1050表现出优异的ORR活性和抗衰减性能,加速衰减循环测试1500次后半波电位比商业20 wt.% Pt/C催化剂高20 mV,活性保持率也显著提高(93.0% vs. 81.1%)。该工作为非贵金属ORR催化剂的设计与调控提供了新的思路。

PDF文档:CNT气凝胶

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