
气凝胶是一种以纳米胶体粒子相互聚集构成纳米骨架和纳米多孔网络结构,并且在孔隙中充满气态分散介质的轻质固态材料,具有极高空隙率(可达99.8%)、极低密度(低至3mg/cm3)、极高比表面积(可达2000m2/g)、超高孔体积率、耐高温、高弹性、强吸附、催化等特性。
气凝胶主要分为无机气凝胶、有机气凝胶和有机-无机杂化气凝胶3类。
其中,无机物气凝胶是以无机物为基体,包括单质气凝胶(如炭、石墨烯、金属金等)、氧化物气凝胶(如SiO2、Al2O3、TiO2、SiO2-Al2O3、TiO2-SiO2、B2O3-SiO2、CuO-ZnO-ZrO2、CuO-ZnO-Al2O3、MgO-SiO2-Al2O3等)以及硫化物气凝胶等。
有机气凝胶是以有机物为主体,主要包括酚醛气凝胶、纤维素气凝胶、聚酰亚胺气凝胶、聚氨酯(聚脲)气凝胶、壳聚糖气凝胶以及壳聚糖-纤维素气凝胶等。
有机-无机杂化气凝胶利用有机物和无机物各自的优势,实现气凝胶材料特殊的功能化。
一、气凝胶材料的研究现状1931年,美国学者Kistler采用超临界乙醇流体干燥方式,以硅酸钠为原料,在保持凝胶结构的同时,将网络结构中的乙醇液体置换成气体,成功制得了SiO2气凝胶材料,之后又陆续制备了Al2O3、W2O3、Fe2O3、NiO3等无机气凝胶以及纤维素、明胶、琼脂等有机气凝胶。
各主要国家对于气凝胶材料的研究予以极大关注,开发出多种新型气凝胶材料,拓展了气凝胶的应用范围。
(一)主要国家开发出多种新型气凝胶材料气凝胶的制备工艺主要分为两步:一是通过溶胶-凝胶过程制备凝胶;二是利用一定的干燥方法将凝胶内的液态物质替换为气态,从而制得气凝胶。
干燥过程又分为超临界干燥、亚临界干燥、冷冻干燥、常压干燥等方法。
其中,溶胶-凝胶过程是制备气凝胶最核心的过程,直接决定了气凝胶的各种微观结构与性质,包括水解和缩聚两个步骤。
近年来,中美欧等国研究人员通过改进气凝胶制备工艺,开发出生物基气凝胶、石墨烯气凝胶、聚合物气凝胶等多种新型气凝胶材料。
美国科罗拉多大学的研究人员利用啤酒酿造工业的废弃物作为培养基,使用由醋酸杆菌制备出的细菌纤维素,通过超临界干燥法等方法制备出一种细菌纤维素气凝胶材料,具有低热导率的特征。
法国国家科学研究中心的研究人员采用与传统制备工艺不同的水热处理法制备出单宁基碳气凝胶,具有较高的比表面积和比电容量。
山东大学的研究人员成功制备出一种高性能的偕胺肟基修饰的环糊精/石墨烯气凝胶,其对海水中铀表现出较强亲和力和选择性,在天然海水中具有出色的铀提取能力,21天即可实现19.7mg/g的铀吸附量。
中国四川大学的研究人员利用双向取向的碳气凝胶复合多壁碳纳米管,开发出能够在极端温度下保持功能性和超弹性的新型聚合物气凝胶材料,其可在-196℃至500℃的温度范围内发挥作用。
(二)生物质基气凝胶材料成为主要国家研究热点碳气凝胶(CA)是以有机气凝胶为前驱体,在惰性气体氛围中高温裂解后得到的一种新型纳米多孔碳材料,同时具有气凝胶极高孔隙率、高比表面积、低密度等特性以及碳材料耐热、耐酸碱、高导电率的特点,但因其工艺复杂、生产周期长、生产规模小、原材料成本昂贵,易造成环境污染等问题,限制了碳气凝胶的工业化生产和应用。
而生物质原料