气凝胶有什么用？这16篇文献告诉你

2021-10-12 13:56:22 作者：材料人来源：材料人分享至：

气凝胶是指通过溶胶凝胶法，用一定的干燥方式使气体取代凝胶中的液相而形成的一种纳米级多孔固态材料。作为世界最轻的固体，已入选吉尼斯世界纪录。这种物质看上去像凝固的烟，但它的成分与玻璃相似。由于它的密度极小，用于航空航天方面非常合适。而且与传统保温隔热材料相比，在同等隔热效果下，气凝胶材料厚度只有传统保温隔热材料的1/2-1/5,可以为服役场所节省更多空间。气凝胶材料特有的结构使其在热学、力学、光学、电学、声学等方面具有许多独特的性质，在高温催化剂载体、高温密炉以及超高声速飞行器等军用和民用领域具有广阔的应用前景。气凝胶无疑作为材料学中热门的材料之一频繁在顶刊出现，接下来一起领略气凝胶的无穷魅力。

1. 江南大学刘天西（ACS Applied Materials & Interfaces）：聚酰亚胺纳米纤维增强 Ti3C2Tx的气凝胶，具有“层状柱”微孔，用于高性能压阻应变传感和电磁波吸收

单层MXene纳米片，化学式为 Mn+1XnTx[（n=1–4），其中M表示过渡金属，X 表示C或者N，Tx表示不同官能团]，由于其出色的固-液加工性能、非凡的导电性（6000-8000 S cm-1）、高纵横比以及源自其金属骨架和丰富的表面官能团的高度可调的表面化学性质而引起了全世界的关注。此外，MXene还表现出良好的导热性和优异的机械强度，使这种新发现的二维功能材料在储能材料中具有广泛的应用，其中包括电磁干扰（EMI）屏蔽，电磁微波吸收（EMA），传感器，净水，气体分离和催化。然而，由于相邻薄片之间的面内共价键和范德华相互作用，MXene薄片很容易重新堆叠，导致可及表面积的显着退化以及电子和离子的缓慢传输。

江南大学刘天西利用短聚酰亚胺纳米纤维（PINFs）作为交联和支撑构建块来构建轻质、坚固和弹性的PINF/Ti3C2TxMXene 复合气凝胶（PINF/MA）。PINF/MA复合气凝胶利用其独特的三维片柱微孔结构，在0-8 kPa（50%应变）的宽压力范围内，具有优异的压阻传感性能，压阻灵敏度为22.32 kPa-1，超低应变检测限为0.1%，以及出色的压缩/回弹稳定性（信号在 1500 次循环后仍保持稳定）。这些卓越的压阻传感特性使PINF/MA具有有趣的能力，比如可以实时检测大小不一的人类活动（手腕和手指弯曲、脉搏和声带振动）。更有趣的是，平行排列的叶脉状薄片还使PINF/MA具有显着的吸波性能[RLmin在 15.19GHz时为-40.45dB，有效吸收带宽为5.66 GHz （12.34-18 GHz）]，使得多功能PINF/MA复合气凝胶有望用于可穿戴应变传感器和微波吸收器。

参考文献：Pu, L.; Liu, Y.; Li, L.; Zhang, C.; Ma, P.; Dong, W.; Huang, Y.; Liu, T., Polyimide Nanofiber-Reinforced Ti3C2Tx Aerogel with “Lamella-Pillar” Microporosity for High-Performance Piezoresistive Strain Sensing and Electromagnetic Wave Absorption. ACS Appl Mater Interfaces 2021.

2. 东南大学李全（Advanced Science）：一种前所未有的基于液晶弹性体的双向形状记忆气凝胶

气凝胶是用气体代替凝胶孔隙中的液体成分而形成的，被公认为是世界上最轻的固体材料。作为一种最有发展前景的多孔材料，气凝胶具有密度低、热导率低、表面积大等独特的特性，使气凝胶在催化剂载体、传感器、吸收剂、航空航天材料等方面具有广泛的应用。特别是，完全由聚合物材料衍生的聚合物气凝胶表现出突出的优点，包括良好的机械性能和环境稳定性，使其适用于广泛的潜在应用。作为一种独特的聚合物气凝胶，形状记忆聚合物气凝胶（SMPA）由于其多孔结构以及由外部刺激引发的形状恢复能力，近年来备受关注。凭借在外部刺激下两种不同永久形状之间可逆形状变形的优势，双向形状记忆气凝胶有望成为开发执行器、传感器、机器人等实际应用的首选气凝胶。

东南大学李全通过正交热光固化策略和中间机械拉伸步骤制备了第一个基于双向形状记忆液晶弹性体（LCE）的气凝胶。通过差示扫描量热法、随温度变化的广角X射线散射和偏光显微镜结果表明气凝胶具有液晶相，并且内部介晶沿拉伸方向良好取向。除了具有优越的压缩性和出色的形状稳定性之外，这种基于LCE的气凝胶可以在加热/冷却循环期间进行可逆的形状变形，收缩率为37%，在多次加热/冷却循环中具有优异的抗疲劳性。此处公开的这项工作实现了真正的双向形状记忆行为，而不是传统聚合物气凝胶材料的单向形状变形，并可能促进这种基于 LCE 的新型气凝胶材料在控制装置、软执行器等。

参考文献：Wang, M.; Song, Y.; Bisoyi, H. K.; Yang, J. F.; Liu, L.; Yang, H.; Li, Q., A Liquid Crystal Elastomer-Based Unprecedented Two-Way Shape-Memory Aerogel. Adv Sci （Weinh） 2021, e2102674.

3. 中国科学技术大学仿生材料与化学研究所刘建伟（Small）：金属离子诱导自组装使纳米线基气凝胶成为可能

气凝胶是一种具有低密度、大表面积和高孔隙率的独特特性的3D多孔固体材料，近年来受到了极大的关注。自1931年Kistler发明气凝胶以来，各种气凝胶，包括金属气凝胶、硫属化物气凝胶、碳气凝胶、和纤维素气凝胶，已经制备成功。受控组成和理性设计多孔宏观结构赋予气凝胶优异的性能，如力学性能、绝热性能、分子吸收性能、和电学性能。因此，气凝胶成为多种应用的关键候选者，包括传感器，电催化，太阳能海水淡化，污染物去除和能量存储装置。然而，这些传统气凝胶的制备过程复杂，形态难以控制，严重阻碍了它们的广泛应用。因此，有必要开发一个简单的凝胶化过程并找出其潜在的机制。

中国科学技术大学仿生材料与化学研究所刘建伟提出了一种简单的原位热液策略，通过动态金属离子诱导组装生成多孔的纳米线（NW）气凝胶。金属离子诱导的配位对纳米材料之间的相互连接起着重要的作用。对于动态组装机理，探讨了与Mg、Zn、Co、Ca、Ni、Na等不同金属离子的配位强度，并通过DFT计算进一步验证了配位强度。在分子动力学理论评价的辅助下，解释了随机分散的北西向束的形成过程。最后，通过简单的热液过程，基于组装的NW束成功制备了3D NW气凝胶。这些发现有助于构建具有独特结构特征和多功能的纳米材料气凝胶，为其他材料体系提供了新的机遇。

参考文献：Shang, Q. G.; Wang, K.; Li, L. G.; He, Z.; Jiang, H. J.; Zhu, J. H.; Liu, J. W., A Metallic Ion-Induced Self-Assembly Enabling Nanowire-Based Aerogels. Small 2021, e2103406.

4. 广西民族大学李文（Chemical Engineering Journal）：高性能季铵官能化壳聚糖/氧化石墨烯复合气凝胶用于制糖重熔糖浆脱色

糖是具有战略作用的商品之一，因为它是国内和工业对食品、饮料和医药的基本需求之一。从原糖（从甘蔗中提取）生产精制糖的常规步骤。（i）第一步涉及亲和过程，从原糖中去除40%–50%的颜色。（ii）接下来涉及将原糖溶解以形成重熔糖浆。（iii）碳酸化和过滤从糖浆中去除40%–60%的剩余颜色和悬浮杂质。（iv）进行阴离子交换树脂吸附过程，使糖浆进一步脱色。（v）最后一步涉及结晶以获得精制糖（纯度：~99.9%）。在这些过程中，步骤iv，即碳酸化过滤重熔糖浆（CFRS）的脱色，是最关键的步骤，因为它直接影响最终产品的色值（等级）。

广西民族大学李文开发了一种季铵功能化壳聚糖/氧化石墨烯复合气凝胶（GO-QACSA）的有效的吸附剂，用于去除高分子量还原糖碱性降解产物（HRSADPs）。GO-QACSA去除HRSADPs的优势可归因于其良好连接的3D网络状多孔结构、无毒、高亲水性和丰富的季铵基团。GO-QACSA对HRSADPs的平衡吸附容量达到364.09 mg/g，去除率> 90%。GO-QACSA表现出超快的吸附速率。回收实验表明GO-QACSA表现出良好的可再生性和可重复使用性。同时研究了HRSADP在GO-QACSA上吸附的相互作用机制，结果表明两层HRSADPs通过季铵基和羧酸根基团之间形成的电价键粘附在GO-QACSA表面。平均而言，一个HRSADP分子中的2-3个羧酸根离子与GO-QACSA的季铵阳离子键合。基于最佳拟合平衡等温线，提出了四种现象学数学模型，即外部传质阻力（EMTR）、内部传质阻力（IMTR）、EMTR-IMTR 组合和活性位点吸附（AAS）。这些模型可用于为系统的吸附传质行为提供新的见解。

参考文献：Xiao, Y.; Lu, H.-Q.; Shi, C.-R.; Lei, F.-H.; Rackemann, D.; Li, K.; Li, W.; Doherty, W. O. S., High-performance quaternary ammonium-functionalized chitosan/graphene oxide composite aerogel for remelt syrup decolorization in sugar refining. Chemical Engineering Journal 2022, 428, 132575.

5. 越南胡志明市科技大学Phung K. Le（Journal of Cleaner Production）：将粉煤灰绿色回收制成再生聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维增强的隔热、隔音复合气凝胶

近年来，技术发展的可持续性一直是评估此类技术实用性的最重要方面之一。技术的开发基于可持续因素，例如使用绿色无毒溶剂、不向周围环境排放有害元素、能耗低、大规模生产的可行性受到科学家、企业和当局的高度重视。降低生产成本的最常见方法之一是利用现有的废物源并将其转化为高价值的工程产品。此外，必须充分制定从废物中生产可再生产品的程序，以符合可持续发展标准，并全面评估其大规模生产的潜力。火电厂燃煤产生的飞灰（FA）颗粒是其对环境造成严重影响的原因之一。迫切需要进一步努力回收灰烬，释放垃圾填埋场并防止其潜在污染。

越南胡志明市科技大学Phung K. Le提出了一种可行的零废弃方法，即将100%的粉煤灰转化为再生聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维增强的轻质复合气凝胶。在这项研究中，原料粉煤灰通过一种无毒、可生物降解的黄原胶溶液作为粘合剂与纤维骨架结合，然后冻干，留下一个中空的多孔结构。所得复合气凝胶的密度为0.026-0.062 g/cm3，孔隙率为96.59-98.42%，导热系数为34-39 mW/（m·K），柔韧性杨氏模量为3.98-20.61 kPa，降噪系数为0.18-0.31。与不含粉煤灰的气凝胶相比，在纤维框架中添加粉煤灰可以得到一种轻质复合气凝胶，具有更高的孔隙率、隔热性能和隔音性能，以及令人印象深刻的压缩模量。本研究为粉煤灰回收利用为高价值工程材料提供了一种安全、环保、经济的解决方案。

参考文献：Do, N. H. N.; Le, T. M.; Tran, H. Q.; Pham, N. Q.; Le, K. A.; Nguyen, P. T. T.; Duong, H. M.; Le, T. A.; Le, P. K., Green recycling of fly ash into heat and sound insulation composite aerogels reinforced by recycled polyethylene terephthalate fibers. Journal of Cleaner Production 2021, 322, 129138.

6. 浙江工业大学张波（Chemical Engineering Journal）：一种具有高吸附脱硫性能的高分散CeO2 /SiO2气凝胶复合材料的简便制备

如今，由于日益严格的环境法规，从汽油中超深脱除硫化物已成为世界范围内的热点。加氢脱硫（HDS）作为炼油厂汽油脱硫的常规方法之一，对硫醇、硫化物和二硫化物的脱除效果非常好，但对噻吩及其衍生物的脱除效果较差。此外，芳烃产品是重要的基础化工原料，其中微量硫化物对后续产品加工产生不利影响。因此，开发其他超深度脱硫技术对汽油和芳烃产品中的噻吩类化合物脱除具有重要意义。在各种替代方案中，包括吸附脱硫（ADS）、氧化脱硫、萃取脱硫和生物脱硫等，ADS由于其设备简单、操作方便、成本低，特别是对噻吩类化合物的选择性脱除，采用合适的吸附剂，是最有前景的超深度脱硫方法之一。

浙江工业大学张波采用溶胶-凝胶法制备了高分散CeO2/SiO2气凝胶复合材料，并在常压下进行干燥。该方法策略简单、低能耗、环保，是通过加入双氧水将Ce3+转化为Ce4+，而不是在更高的温度下煅烧。同时，利用气凝胶材料的独特结构，实现了CeO2在CeO2/SiO2表面的高度分散，与文献报道的策略相比，该制备工艺不需要昂贵的模板。采用突破吸附和浴吸附实验研究了CeO2/SiO2气凝胶复合材料对模拟汽油和模型芳烃产品中噻吩类化合物的吸附脱硫性能，并通过吸附动力学和热力学研究了吸附过程的特征。

参考文献：Yin, L.; Xu, J.; Zhang, B.; Wang, L.; Tao, W.; Teng, X.; Ning, W.; Zhang, Z., A facile fabrication of highly dispersed CeO2/SiO2 aerogel composites with high adsorption desulfurization performance. Chemical Engineering Journal 2022, 428, 132581.

7. 东华大学刘天西（Journal of Materials Science & Technology）：具有集成双网络的高柔性和可压缩聚酰亚胺/二氧化硅气凝胶，用于隔热和阻燃

据报道，调节建筑物室内温度所需的能源约占世界能源消耗的20%，产生的温室气体排放量约占30%。为了促进可持续发展，需要开发用于节能建筑的保温性能优越的材料。然而，大多数商业绝缘材料在潮湿环境中总是表现出大大增加的热导率，例如聚氨酯（PUR）泡沫（从25 mW m-1K-1增加了84%到46 mW m-1 K-1）、发泡聚苯乙烯（EPS）（从 36 mW m-1 K-1增加50%到54 mW m-1 K-1 ）和玻璃棉（从37 mW m-1 K-1增加49%到55 mW m-1 K-1）。此外，聚合物泡沫始终具有高度可燃性，可以迅速蔓延火势，增加了建筑的安全隐患。而且卤化或磷阻燃剂的添加一直受到国际环保组织的限制，因为这些添加剂往往会释放出对环境和人类有害的有毒物质。因此，有必要开发一种具有良好绝热性能和机械强度或弹性、防潮、阻燃性能的保温材料。

东华大学刘天西报告了一种具有集成双网络结构的有机/无机复合气凝胶，其中二氧化硅成分均匀分布在各向异性聚酰亚胺纳米纤维气凝胶基质中，并且在两种成分之间形成强界面效应。集成的二元网络赋予聚酰亚胺/二氧化硅复合气凝胶出色的可压缩性和柔韧性，即使无机物含量高达60%，可承受500次循环疲劳试验，径向压缩应变为50%。所得复合气凝胶兼具出色的绝缘性能和低热导率（21.2 mW m-1 K-1 ）和出色的耐 1200°C火焰而不崩解。高性能聚酰亚胺/二氧化硅气凝胶可以降低火灾中钢筋混凝土结构倒塌带来的风险，显示出作为高效建筑材料的巨大潜力。

参考文献：Tian, J.; Yang, Y.; Xue, T.; Chao, G.; Fan, W.; Liu, T., Highly flexible and compressible polyimide/silica aerogels with integrated double network for thermal insulation and fire-retardancy. Journal of Materials Science & Technology 2022, 105, 194-202.

8. 武汉理工大学董丽杰（Composites Part B: Engineering）：源自木棉纤维的碳气凝胶基复合相变材料：卓越的微波吸收性和高效的太阳能/磁热储能性能

为了缓解化石燃料燃烧后引起的能源危机和新出现的生态变暖问题，利用绿色、可再生和可持续的能源和技术变得越来越重要。热能—一种无处不在的能源形式，有望提供一种极好的替代品，以缓解压力并避免对化石燃料的过度依赖。相变材料（PCM）能够在相变过程中储存和释放大量热能，被认为是缓解能源危机和环境污染的潜在候选材料。在各种相变材料中，固液相变材料由于其潜热密度高、体积变化小而得到广泛应用。然而，由于泄漏问题、低热导率和太阳能热转换效率差等缺点，阻碍了固液相变材料的扩大应用。

武汉理工大学董丽杰报告了一种简单而有效的策略，用于制造基于碳化木棉纤维气凝胶（CKF）的复合PCM，通过加入Fe3O4纳米颗粒的磁性客体和封装月桂酸（LA）的热能客体。获得的LA/CKF@Fe3O4复合PCMs（CPM）显示出97.5%的LA的超高潜热。此外，Fe3O4的集成有助于CPM具有优异的微波吸收性能通过在阻抗匹配和高损耗特性之间实现最佳平衡。CPM-30的最小反射损耗在8.4GHz时为-17.3dB，厚度为5.5 mm，远远超过-10dB的实际需求。此外，CPM还可以实现高效的太阳能/磁热转换。这是第一个通过简便但可再生的方法制备的碳气凝胶基复合相变材料的例子，它还具有超高的热能容量、增强的热导率、优异的微波吸收性能和高效的太阳能/磁热转换性能。该研究通过将报告的系统扩展到其他天然微管和功能客体，为设计具有多种储能形式和功能的高性能复合PCM铺平了道路。

参考文献：Song, S.; Ai, H.; Zhu, W.; Lv, L.; Feng, R.; Dong, L., Carbon aerogel based composite phase change material derived from kapok fiber: Exceptional microwave absorbility and efficient solar/magnetic to thermal energy storage performance. Composites Part B: Engineering 2021, 226, 109330.

9. 美国麻省理工学院Jing Kong（Nano Letters）：用于热再生空气过滤的自下而上合成全热催化剂气凝胶

根据世界卫生组织（WHO）的数据，空气污染每年导致420万人死亡，化石燃料产生的细颗粒物（PM）是最具破坏性的罪魁祸首。空气动力学直径小于4μm的细颗粒物可被吸入肺部并可能进入血液，从而导致严重的健康问题。今天的空气过滤器仍然需要频繁更换，造成高昂的人工和材料成本。虽然像反向吹扫这样的技术和可清洗的过滤器已经开发出来以延长过滤器的使用寿命，如果不正确处理细小的不溶性有机颗粒，二手污染问题仍然令人担忧。

美国麻省理工学院Jing Kong提出了一种自下而上的合成方法来制造第一个全热催化剂空气过滤器（ATCAF）。由~50 nm直径的TiO2自组装纤维，ATCAF 不仅可以以>99.999%的效率捕获燃烧产生的PM污染物，而且还可以催化高温下捕获的碳氢化合物污染物的完全分解。并且介绍了制造方法，并在过滤效率、热再生过程和压降方面表征了ATCAF性能。它具有利用燃烧热原位消除碳氢化合物材料燃烧产生的PM污染物的潜力。

参考文献：Ji, X.; Zhao, J.; Jung, S. M.; Hrdina, A. I. H.; Wolf, M. J.; Yang, X.; Vaartstra, G.; Xie, H.; Luo, S. L.; Lu, A. Y.; Welsch, R. E.; Wang, E. N.; Li, L. J.; Kong, J., Bottom-Up Synthesized All-Thermal-Catalyst Aerogels for Heat-Regenerative Air Filtration. Nano Lett 2021.

10. 华中师范大学朱成周（ACS Sustainable Chemistry & Engineering）：痕量铱作为PtCuIr气凝胶中的“粘合剂”，用于稳健的甲醇电氧化

直接甲醇燃料电池（DMFC）作为最有前途的清洁能源之一，由于其能量转换密度高、易于获得和环境友好而受到广泛关注。尽管Pt基催化剂被认为是甲醇氧化反应（MOR）的理想候选者，但其昂贵的成本和较差的抗中毒能力仍然是需要克服的主要障碍。根据双功能机制和电子效应，PtCu合金电催化剂由于其低成本和优异的CO中毒耐受性在MOR中得到了广泛的应用。然而，Cu原子在MOR苛刻的腐蚀电催化条件下容易发生电化学浸出和溶解，破坏了PtCu合金的稳定性。基于这些，引入PtCu的高度亲氧金属（Ru、Rh、Ni 等）已被证明是提高 MOR 性能的有效策略。此外，Ir是已被证实的用于MOR的最活跃的非Pt金属。受此启发，由于电催化剂的电子/协同或几何效应，调节电催化剂的组成在提高MOR稳定性方面产生了巨大的影响。因此，基于组件工程的MOR高稳定性电催化剂的开发值得广泛研究。

华中师范大学朱成周通过基于成分工程的一步还原策略将痕量Ir掺入PtCu气凝胶中，以进一步提高MOR的性能。优化后的Pt1Cu1Ir0.04气凝胶的质量活度（MA）和比活度（SA）分别是商业Pt/C气凝胶的4.1和2.6倍。值得注意的是，它的电流密度在20,000秒计时电流（CA）测量期间始终缓慢衰减，并且与Pt1Cu1相比具有最高的初始值活性保持率气凝胶和商Pt/C，表明Ir原子在实现用于MOR的PtCu基合金催化剂的优异稳定性方面起着关键作用。密度泛函理论（DFT）计算表明，Ir在显着降低催化的CO吸附能和减轻Pt1Cu1Ir0.04催化剂的CO中毒，进一步提高MOR活性方面起着至关重要的作用。同时，为了探索稳定性增强背后的潜在机制，提出了空位形成能和晶体轨道哈密顿布居（COHP）分析来揭示稳定性增强的机制，揭示了Pt1Cu1Ir0.04气凝胶通过形成更强的金属键而具有强大的稳定性。这项研究展示了一种合理的策略，可以为实际燃料电池应用设计具有强大稳定性和出色活性的先进合金电催化剂。

参考文献：Fang, Q.; Wang, H.; Lv, X.; Wei, X.; Luo, X.; Huang, J.; Jiao, L.; Gu, W.; Song, W.; Zhu, C., Trace Iridium as ″Adhesive″ in PtCuIr Aerogels for Robust Methanol Electrooxidation. ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2021, 9 （38）， 13039-13046.

11. 中国科学院大连化学物理研究所冯亮（ACS Applied Materials & Interfaces）：用于电子皮肤和气体传感的柔性Ti3C2Tx MXene/PANI/细菌纤维素气凝胶

电子皮肤（e-skins）具有高柔韧性、可拉伸性、适应性和便携性，在医疗监测领域引起了极大的关注，灵活的触摸板，人工智能，以及人机交互。特别是柔性压力传感器由于其优异的耐磨性、灵敏度和导电性，在电子皮肤中得到了广泛的应用。在碳材料中发现了多种传感材料，如碳纤维、碳纳米管、石墨烯等。这些具有物理化学特性的功能材料在电子皮肤中起着至关重要的作用。然而，上述一维（1D）或二维（2D）材料通常存在结构单一、功能特性差的缺点。以氧化石墨烯（GO）为例，虽然GO具有良好的自组装性能、较大的比表面积和良好的亲水性，但其较差的导电性限制了其在压力传感器中的实际应用。为了克服这些传感材料的局限性，迫切需要将新型复合传感材料应用于电子皮肤。

中国科学院大连化学物理研究所冯亮通过MXene和一维活性材料之间的自组装过程制造了MXene/聚苯胺/细菌纤维素（MXene/PANI/BC）气凝胶传感器。结合较少层或单层的MXenes，制成的气凝胶可用作压力传感器的活性层，监测手指弯曲、手腕弯曲和脉搏跳动的微小运动信号。还可以实现蓝牙无线传输以监测手机上的实时空间压力分布，使基于气凝胶的传感器成为电子皮肤的理想选择。同时，基于气凝胶的传感器对NH3敏感由于气凝胶独特的三维（3D）结构和系统中MXene丰富的末端基团（如 -O、？OH和？F），确保高效的电子转移过程，创造活跃的站点与目标气体的吸收。这项工作为开发MXenes提供了一个多功能平台，以制造用于高性能柔性多传感器的3D复合气凝胶。

参考文献：Zhi, H.; Zhang, X.; Wang, F.; Wan, P.; Feng, L., Flexible Ti3C2Tx MXene/PANI/Bacterial Cellulose Aerogel for e-Skins and Gas Sensing. ACS Appl Mater Interfaces 2021, 13 （38）， 45987-45994.

12. 西班牙碳科学与技术研究所Ana Arenillas（Small）：具有极高电导率的超轻石墨烯气凝胶

近年来，具有定制化学和物理特性的材料的设计得到了迅速发展。由于在合成过程中可以最终控制碳质材料的结构、形态、热学和电学性能，因此对其进行了大量的研究。这一特性使得各种各样的材料得以发展，即碳气凝胶（CA），具有特定的应用，如催化载体、隔热材料、化学吸附剂和储能材料。碳气凝胶最显着的特征是它们的多孔性质、介孔率和大孔率，可以在合成过程中通过选择合适的试剂和条件来定制，其中最突出的是催化剂的类型、pH、浓度、温度和不同合成步骤的时间。

西班牙碳科学与技术研究所Ana Arenillas通过使用氧化石墨烯分散体和间苯二酚/甲醛聚合物，已成功开发出新型石墨烯气凝胶。研究了不含和含催化剂的两个系列材料。这些气凝胶的石墨烯片被碳化的R/F聚合物部分覆盖，作为它们之间的连接纽带，创建了一个无缝互连的3D网络。这种网络中石墨烯片的完美连接同时赋予气凝胶出色的多孔性能和超高导电性。催化系列可能含有少量催化剂，但具有较高的导电性和较少量的石墨烯，这使得这些气凝胶比未催化的更便宜。相反，未催化系列的特点是没有催化剂，但要达到与催化系列相同的导电率值，需要更多的石墨烯，这使得它们更昂贵。CA-60-C气凝胶具有最佳电导率值，852 S m-1具有97.58%的孔隙率。对于具有如此大孔隙率的石墨烯气凝胶，这是迄今为止报道的最高电导率值。高导电性是由于石墨烯片之间的大量渗透，使得电子转移更容易。此外，所采用的合成技术在工业规模上具有可扩展性和通用性，并且可能是制造具有预成型形状和优异性能的3D石墨烯结构的一种策略，这将使这些材料在不同领域的多种应用成为可能。

参考文献：Dos Santos-Gomez, L.; Garcia, J. R.; Montes-Moran, M. A.; Menendez, J. A.; Garcia-Granda, S.; Arenillas, A., Ultralight-Weight Graphene Aerogels with Extremely High Electrical Conductivity. Small 2021, e2103407.

13. 西南科技大学竹文坤（Journal of Hazardous Materials）：简单合成的羟基磷灰石气凝胶对铀（VI）的高吸附性能

铀是一种天然存在的元素，具有毒性和放射性，是核电生产的重要组成部分。核工业发展如此迅速，近年来越来越多的铀出现在水溶液中。未经处理的含铀废水如果排入水环境，不仅会污染地表水，还会流入地下水或河流。同时，它很容易通过食物链被人类摄取并在人体内积累，从而导致一系列疾病，最终死亡。此外，浪费大量排放未经处理的含铀废水也导致铀资源的流失。因此，在排放前对含铀废水进行适当处理成为当前许多研究人员关注的关键问题。为了去除废水中的铀，人们提出了很多方法，如化学沉淀法、离子交换法、溶剂萃取法、吸附法、膜过滤法等。其中，吸附具有环保、低成本、高效、易操作等优点，被证明是最有前景的技术之一。

西南科技大学竹文坤使用冷冻干燥-煅烧方法合成羟基磷灰石（HAP）气凝胶以有效去除铀。与市售纳米羟基磷灰石相比，HAP气凝胶表现出更好的吸附性能。这是因为制备的HAP气凝胶呈现连续的多孔结构，可以为铀的吸附提供更多的活性位点。HAP气凝胶的铀去除效率在10分钟内达到99.4%，在pH = 4.0 和298 K条件下的最大吸附容量高达2087.6 mg g-1 。此外，铀在HAP气凝胶上的固定化是化学吸附，这可能是由于吸附、溶解-沉淀和离子交换。这些结果表明，所制备 HAP气凝胶可广泛用作未来处理含铀废水的高效和潜在吸附剂。

参考文献：Xiong, T.; Li, Q.; Liao, J.; Zhang, Y.; Zhu, W., Highly enhanced adsorption performance to uranium（VI） by facile synthesized hydroxyapatite aerogel. Journal of Hazardous Materials 2022, 423, 127184.

14. 四川大学王玉忠（Composites Part B: Engineering）：具有超高机械模量、增强的阻燃性和出色的隔热应用的完全基于生物质的气凝胶

随着社会的快速发展，日益严峻的能源消耗问题也越来越严重。特别是，建筑能耗占全球能耗约40％。目前，安装热绝缘材料中的建筑物是一广泛采用的解决方案。石油基泡沫，如聚氨酯（PU）和发泡聚苯乙烯（EPS），由于其成本低、重量轻、导热系数低，是实现节能的常见商业隔热材料。然而，尽管有许多优点，但这些聚合物泡沫已受到高可燃性缺点的严重限制。由保温材料引发的建筑火灾隐患频发，带来严重的生命危险和财产损失。此外，石油基泡沫的使用仍然存在可持续性和废物污染问题。石油基泡沫的不可再生来源将加剧能源危机，废弃塑料的环境污染已成为广泛关注的社会问题。因此，迫切需要探索用于隔热应用的新型绿色安全材料。

四川大学王玉忠展示了一种新颖且简便的策略，可从天然丰富的海藻酸（AL）和植酸（PA）制造完全基于生物质的气凝胶，其中PA作为阻燃剂和交联组分构建了一个强大的网络AL矩阵。因此，所得生物质气凝胶具有0.052 g/cm3的低密度表现出超高的机械模量（25.1 ± 3.1 MPa）和比模量（440.4 ± 54.4 MPa cm3 ·g-1 ），远优于以往报道的生物质气凝胶。由于均匀的三维多孔网络的存在，生物质气凝胶表现出低热导率（34-38 mW/m·K）和优异的隔热性能。此外，PA的引入赋予气凝胶高阻燃性（极限氧指数值57%、UL-94 V-0等级、极低的放热），同时生物降解性材料的生物降解率保持在较高水平，达到91.43%。该工作的气凝胶结合了机械强度高、阻燃性高、绝热性能好、可生物降解等优点，为制备具有高环境安全性的绝热材料提供了一种新策略。

参考文献：Cao, M.; Liu, B.-W.; Zhang, L.; Peng, Z.-C.; Zhang, Y.-Y.; Wang, H.; Zhao, H.-B.; Wang, Y.-Z., Fully biomass-based aerogels with ultrahigh mechanical modulus, enhanced flame retardancy, and great thermal insulation applications. Composites Part B: Engineering 2021, 225, 109309.

15. 兰州工业大学李安（ACS Applied Materials & Interfaces）：用于高效太阳能蒸汽产生的低热导率改性中空玻璃微球/还原氧化石墨烯复合气凝胶

随着世界人口的增加、生活水平的提高以及工业的快速发展，淡水短缺已成为一个严重的全球性问题。尽管许多技术，例如多级闪存，多效蒸馏和反渗透等，被用于清洁水生产，它们主要依赖化石燃料和电力等不可再生能源的消耗，加剧了能源危机，并伴随着严重的环境污染。太阳能作为一种可再生的清洁能源，应用在很多领域。最近，作为最有前途的水净化技术之一，太阳能蒸汽发电（SSG）引起了极大的关注，不仅因为它利用取之不尽的清洁太阳能，还因为其独特的“界面汽化”方式利用光热生产淡水。为了实现优异的蒸发性能并实现SSG在水净化或海水淡化中的实际应用，作为SSG系统的关键组成部分，光热材料应具有良好的太阳光吸收性能、多孔亲水结构以实现快速输水，良好的隔热性以最大限度地减少热损失等。

兰州工业大学李安报告了通过溶胶-凝胶法制备由3-氨基丙基三乙氧基硅烷（KH550）改性的空心玻璃微球（HGM）和还原氧化石墨烯（RGO）组成的新型气凝胶GAHAS和GAHAF，以实现高效的SSG。RGO可以很好地包裹在改性HGM上并形成具有优异机械性能的互穿多孔结构。此外，受益于HGM的中空结构，超临界CO2干燥得到的GAHAS保持了水凝胶的原始结构并表现出低导热系数（0.0823 W m–1 K–1）在潮湿状态和自漂浮能力。结合其超亲水润湿性和高吸光率（约93%），所制备的GAHAS在太阳（1 kW m–2）光照下显示出89.13%的出色光热转换效率和出色的稳定性。此外，从模拟海水室外太阳能淡化实验中发现，净化水中四种初级离子K+、Ca2+、Na+和Mg2+的浓度分别为1.65、0.09、1.42和0.32 mg L–1，完全达到饮用水标准。因此，GAHAS气凝胶在SSG的实际应用中显示出巨大的潜力。这项工作丰富了光热材料，可能为设计和创造具有低导热率、可调孔隙率、高机械强度、自漂浮能力和高太阳能转换效率的SSG基HGM光热材料提供新的思路。

参考文献：Wang, S.; Niu, Y.; Wang, C.; Wang, F.; Zhu, Z.; Sun, H.; Liang, W.; Li, A., Modified Hollow Glass Microspheres/Reduced Graphene Oxide Composite Aerogels with Low Thermal Conductivity for Highly Efficient Solar Steam Generation. ACS Appl Mater Interfaces 2021, 13 （36）， 42803-42812.

16. 郑州大学申长雨（Carbon）：具有皮芯结构的芳纶纳米纤维衍生碳气凝胶薄膜，用于高电磁干扰屏蔽和太阳能热转换

高性能电磁干扰（EMI）屏蔽材料的发展对第五代（5G）无线系统的逐步应用具有深远意义。解决电磁污染对精密电子设备、信息安全乃至人体健康造成危害的问题。近几十年来，EMI屏蔽材料已经从传统的易腐蚀和重金属发展到轻质、耐腐蚀的碳基材料及其复合材料。作为小型化和减轻重量的要求，使先进的EMI 屏蔽材料尽可能轻和薄在特殊领域有很大的需求，包括航空航天、智能电子设备和无线电信。因此，探索同时具有低厚度和密度的高性能EMI屏蔽材料是当前研究的热点之一。

郑州大学申长雨通过简便的方法制备了具有新型皮芯结构的芳纶纳米纤维（ANF）的热解碳气凝胶薄膜，该皮芯结构包含致密的薄膜表皮和3D多孔纳米纤维网络核。骨架中丰富的共轭芳香结构使ANF衍生的碳气凝胶膜具有1029.5 S/m的高电导率。值得注意的是，高导电性，以及三维多孔皮芯结构，不仅构建了相互连接的电子传输路径，而且显著扩展了电磁波的传播路径，在低密度（54.4mg/cm3）和薄厚度（162 μm）条件下，碳气凝胶薄膜的电磁干扰屏蔽效能（SE）高达41.4 dB，比屏蔽效能（SSE/t）高达47122.6 dB cm2/g。此外，ANF衍生的碳气凝胶薄膜表现出优异的光热转换能力，极大地拓宽了应用环境。更有趣的是，薄膜厚度、密度和面积可调的简单灵活的制备方法使碳气凝胶薄膜的大规模生产成为可能。

参考文献：Zhou, B.; Han, G.; Zhang, Z.; Li, Z.; Feng, Y.; Ma, J.; Liu, C.; Shen, C., Aramid nanofiber-derived carbon aerogel film with skin-core structure for high electromagnetic interference shielding and solar-thermal conversion. Carbon 2021, 184, 562-570.

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