材料界團寵!國內科研機構氣凝膠最新研究成果梳理

2020-11-30 騰訊網

氣凝膠又稱為幹凝膠。當凝膠脫去大部分溶劑，使凝膠中液體含量比固體含量少得多，或凝膠的空間網狀結構中充滿的介質是氣體，外表呈固體狀。作為世界最輕的固體，已入選金氏世界紀錄。這種新材料密度僅為3.55千克每立方米，僅為空氣密度的2.75倍；乾燥的松木密度（500千克每立方米）是它的140倍。

氣凝膠現在在很多領域都得到利用。作為隔熱材料能有效地透過太陽光，並阻止環境溫度的紅外熱輻射，成為一種理想的透明隔熱材料，在太陽能利用和建築物節能方面已經得到應用。在儲能器件方面由於矽氣凝膠的納米網絡內形成量子點結構，化學氣相滲透法摻Si及溶液法摻C60的結果表明，摻雜劑是以納米晶粒的形式存在，並觀察到很強的可見光發射，為多孔矽的量子限制效應發光提供了有力證據。

還可以製作太空衣，具有防彈功能，處理生態災難。12月3日消息，小米有品上架了一款氣凝膠防風防潑水熱能外套，號稱擁有保暖黑科技。能夠隔絕溫度以抵禦寒冷和高溫。看似「弱不禁風」，其實與厚羽服擁有相同的鎖暖效果。

作為材料界的寵兒，氣凝膠得到了國內外學者的廣泛研究。研究成果涉及多方面。本文羅列了近期國內高校研究團隊的最新研究成果。詳細內容如下：

1 可編程超輕磁性氣凝膠！

近日，來自北京航空航天大學的謝勇、陳子瑜和科羅拉多大學博爾德分校的Ivan Smalyukh合作領導的研究小組製備了可編程超輕的磁性氣凝膠，有望用於航空航天飛行器及智能器件領域，從而減輕設備質量，降低運行成本，同時實現人和設備的遠程、非接觸互動。

圖1 超輕磁性氣凝膠的製備流程。

將鐵磁納米顆粒均勻地分散於氣凝膠前驅物溶液中，然後施加均勻的磁場使鐵磁顆粒擁有一致的磁化取向，等待溶液逐漸固化後，鐵磁顆粒將緊束縛在網絡結構中，從而保持一致的磁化方向，最後通過臨界乾燥，獲得密度僅為0.12 kg m-3的超輕磁性氣凝膠-即「空氣磁體」（aero-magnet）。

這些超輕材質和可編程磁疇的性質，發展的「空氣磁體」還具有良好的疏水性和絕熱性，可以適用於真空、低溫的太空環境，以及潛在的節能材料領域。

2 實現秒級溶致形狀記憶效應的可拉伸氣凝膠

形狀記憶材料是一種能在外界環境變化中自主改變自身形狀的新型智能材料；而溶致形狀記憶材料因其非加熱的響應方式進一步拓寬了形狀記憶材料的應用範圍。

南京工程學院王倡春教授和南京理工大學應三九教授利用聚己內酯（PCL）/氧化石墨烯（GO）混合溶液的溶膠-凝膠轉變與氧化石墨烯自組裝形成微米級規則圓形泡孔結構的氣凝膠。

這種規則的泡孔結構賦予氣凝膠高可拉伸性。該氣凝膠中相互貫通的泡孔由納米級的聚己內酯片層構成。聚己內酯納米片在乙酸乙酯作用下，迅速產生皺褶，從而使氣凝膠實現秒級溶致形狀記憶效應。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/mame.201900602

3 高活性ZnO-ZrO2氣凝膠用於CO2加氫制芳烴

一般認為混合氧化物表面的氧空位在 CO2 的吸附和活化過程中扮演重要角色。氧空位的形成可以通過部分還原處理或者雜原子摻雜的方法來促進。

廈大王野教授研究小組通過結合溶膠凝膠法和超臨界乾燥法合成了具有高比表面的 ZnO-ZrO2 氣凝膠，在經過 500 攝氏度煅燒後仍然保持 124 m2 g–1 的比表面積，顯著高於文獻報導的 ZnO-ZrO2 混合氧化物比表面積（約 50 m2 g–1）。

經超臨界方法乾燥後，ae-ZnO-ZrO2 的比表面積可以達到 471 m2 g–1。

研究發現利用超臨界乾燥法製得的 ZnO–ZrO2 氣凝膠，具有高比表面積和高氧空位密度，且氧空位密度與甲醇中間體的生成速率成線性關係，證實了氧空位為 CO2 的吸附活化位點。

研究主要針對雙功能體系催化 CO2 加氫製備芳烴過程中時空收率低的問題，設計合成了小粒徑，高比表面，高氧空位含量的 ZnO–ZrO2 氣凝膠作為活化 CO2 的組分，耦合 H-ZSM-5 分子篩後明顯提高了芳烴的時空收率。

4 高容量無枝晶金屬鋰負極的MXene/石墨烯氣凝膠

大連化物所二維材料與能源器件研究組（DNL21T3）吳忠帥研究員團隊發展了一種三維高導電、親鋰性的MXene/石墨烯多孔氣凝膠新材料，並將其應用於高鋰載量、高容量、無枝晶金屬鋰負極，獲得了高比能、長壽命鋰金屬電池。

團隊開發出一種三維MXene/石墨烯多孔氣凝膠材料，並將其用作鋰金屬的載體，成功構築出柔性的、高鋰載量（3560 mAh g-1）的金屬鋰負極複合材料。

三維MXene/石墨烯氣凝膠材料具有高比表面積（259 m2 g-1）、優異導電性、良好的親鋰性能，實現了高的庫倫效率（99%），顯著提高了金屬鋰負極的循環穩定性（2700 h），遠高於目前文獻中報導值。相關研究成果發表在《美國化學會·納米》（ACS Nano）上。

5 零收縮超薄輕質石墨烯氣凝膠吸波材料

近日，東華大學範宇馳、王連軍團隊報導了一種以乙醇為溶劑，3-氨丙基三乙氧基矽烷（APTES）為表面改性劑同時也作為交聯劑的石墨烯氣凝膠製備新方法，避免了傳統方法製備石墨烯氣凝膠出現的體積收縮問題，並實現密度的精確調控，吸波性能可以通過調節氧化石墨烯濃度來進行調控。

在K波段，厚度僅為1.14 mm時，反射損耗達到-50.3 dB，此外，引入磁性核殼結構Fe3O4@C後，可以進一步提升吸波性能，Fe3O4@C/GA最低反射損耗為-54 dB，厚度僅為0.99mm，實現了密度可控，輕質，強吸收的優點。相關工作以「Ultrathin and Lightweight Graphene Aerogel with Precisely Tunable Density for Highly Efficient Microwave Absorbing」為題發表在國際著名期刊 《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

這種新穎的密度可控石墨烯氣凝膠材料將為5G通信設備中先進吸波材料的設計製備提供借鑑。

6 CNT氣凝膠——高效穩定的氧還原催化劑

武漢科技大學周盈科教授團隊製備了一種三維氮摻雜碳納米管（N-CNT）氣凝膠催化劑，用於穩定地高效催化ORR。研究團隊以聚吡咯為前驅體，採用便利的「原位」摻雜策略，在不同退火溫度（500, 700, 900, 1050oC）下進行熱解處理得到N-CNT氣凝膠。

通過一系列的表徵可知，由於具有較高的石墨化程度和合適的摻氮構型，PPy/C-1050表現出優異的ORR活性和抗衰減性能，加速衰減循環測試1500次後半波電位比商業20 wt.% Pt/C催化劑高20 mV，活性保持率也顯著提高（93.0% vs. 81.1%）。該工作為非貴金屬ORR催化劑的設計與調控提供了新的思路。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cctc.201901334

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