一、背景介紹

氣凝膠是什么？首先我們要了解一下凝膠是什么，凝膠指的是一定濃度的高分子溶液或溶膠，在適當(dāng)條件下，粘度逐漸增大，最后失去流動(dòng)性，整個(gè)體系變成一種外觀均勻，并保持一定形態(tài)的彈性半固體。當(dāng)凝膠被水或其他液體充滿后，即稱之為水凝膠。相似的是，當(dāng)凝膠被氣體充滿后，即稱之為“氣凝膠”。氣凝膠是由膠體粒子相互聚結(jié)形成納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在孔隙中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)的一種高分散固態(tài)材料。氣凝膠擁有極高孔洞率、極低的密度、高比表面積、超高孔體積率。氣凝膠的應(yīng)用廣泛，1.優(yōu)異的隔熱保溫性能使其可以作為保溫材料。2.氣凝膠可以作為吸附劑從水中吸附油和其他有毒有機(jī)物。3. 氣凝膠的低聲速和高孔隙超輕質(zhì)特性使之成為理想聲阻耦合材料和水聲反聲材料。

美國科學(xué)家Steven. S. Kistler與朋友的一次打賭，看誰能夠?qū)⒐麅鰞?nèi)的液體換成氣體同時(shí)不使固體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，經(jīng)過不斷的研究與摸索，Kistler終于制備出了世界上第一塊SiO2氣凝膠。這一耳熟能詳?shù)墓适?，也被稱之為“氣凝膠”的誕生之源。1931年，《Nature》雜志上發(fā)表題為《共聚擴(kuò)散氣凝膠與果凍》標(biāo)志著氣凝膠正式問世。2021年，國際頂級(jí)權(quán)威學(xué)術(shù)雜志《Science》第250期中，列出可以改變世界的十種新材料，氣凝膠獨(dú)占多項(xiàng)世界紀(jì)錄，位居十大新材料之首。2022年IUPAC化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)氣凝膠又占有一席之地。近年來，科學(xué)家們對(duì)于氣凝膠的研究熱度不減。

二、文獻(xiàn)分析

1、納米纖維復(fù)合的超強(qiáng)多功能氣凝膠

由纖維元素組成的多孔網(wǎng)絡(luò)代表了一種高效的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。大自然利用這種設(shè)計(jì)建造了各種承重的生物組織。以軟骨、骨小梁和植物組織的微結(jié)構(gòu)為例，這些三維微纖維網(wǎng)絡(luò)提供了物理強(qiáng)度、重量輕、滲透性和表面功能的結(jié)合。最近，由自組裝聚合物納米纖維制成的氣凝膠由于其結(jié)構(gòu)與生物組織相似而引起了廣泛關(guān)注。然而，由于纖維之間的弱相互作用，用目前可用的化學(xué)物質(zhì)獲得高機(jī)械強(qiáng)度仍然很困難。

研究者報(bào)道了由芳綸納米纖維(ANFs)制備的復(fù)合納米纖維氣凝膠(CNAs)，具有優(yōu)異的力學(xué)性能。納米級(jí)成分之間獨(dú)特的相互作用形成了具有高度的節(jié)點(diǎn)連通性和纖維之間強(qiáng)連接的三維網(wǎng)絡(luò)。這些特征導(dǎo)致了CNAs異常高的硬度和強(qiáng)度，這通過研究者對(duì)3D纖維網(wǎng)絡(luò)的理論模擬所證實(shí)。另一方面，在高連通性節(jié)點(diǎn)處連續(xù)斷裂的交聯(lián)鏈，在保持整體結(jié)構(gòu)完整性的同時(shí)提供了能量耗散。因此，CNAs的斷裂能(~4700 J m?2)比許多現(xiàn)有的氣凝膠高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，CNAs可以通過簡單的加工步驟制成各種3D結(jié)構(gòu)，這表明它們?cè)诳纱┐髟O(shè)備和薄膜技術(shù)中具有潛在的應(yīng)用前景。這些超強(qiáng)聚合物氣凝膠提供的機(jī)理見解可能會(huì)為材料設(shè)計(jì)和技術(shù)創(chuàng)新創(chuàng)造一系列機(jī)會(huì)。

2、各向異性冷卻氣凝膠

在過去的幾十年里，世界上許多地區(qū)都有這樣的環(huán)境，建筑、電動(dòng)汽車和食品供應(yīng)鏈等許多部門的空間制冷所需的能源消耗是二氧化碳排放的主要原因之一，嚴(yán)重阻礙了全球?qū)崿F(xiàn)碳中和的努力。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能降溫，具有超低導(dǎo)熱系數(shù)(k)的隔熱材料，可以通過延緩從熱環(huán)境到冷內(nèi)部的熱傳遞來減少熱損失。

研究者設(shè)計(jì)了一種各向異性冷卻氣凝膠(ACA)板，該板包含平面內(nèi)排列孔和孔壁，以提供各向異性k和優(yōu)異的太陽反射率。受連續(xù)逐層添加制造工藝的啟發(fā)，開發(fā)了一種逐層冷凍澆注技術(shù)來制備分米尺度的各向異性氣凝膠板。添加劑冷凍澆注允許膠體溶液以逐塊的方式從一側(cè)累積凍結(jié)，同時(shí)在每個(gè)凍結(jié)塊中保持較短的凍結(jié)距離，從而使氣凝膠板在整個(gè)凍結(jié)距離上具有一致的排列和孔徑大小的面內(nèi)孔道。高度柔韌、各向異性的氣凝膠板具有不同的尺寸和厚度，使用通用的添加劑冷凍鑄造技術(shù)進(jìn)行了演示。通過在水性聚氨酯(WPU)中引入二維(2D)氮化硼納米片(BNNS)，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了定向孔壁，利用BNNS獨(dú)特的各向異性熱光學(xué)特性，得到了具有高度各向異性k和高太陽反射率的ACA。采用添加劑冷凍鑄造法，由BNNS/WPU膠體溶液制成了一個(gè)橫向尺寸為20 cm×20 cm的超低k(≤24 mW m?1 K?1)和高太陽反射率(≥90%)的ACA板。ACA板在陽光直射下的實(shí)際制冷性能優(yōu)于商業(yè)保溫材料。這項(xiàng)工作提供了一種自下而上的策略，可方便地、可擴(kuò)展地制造具有一致孔排列的各向異性氣凝膠，用于節(jié)能降溫應(yīng)用。

3、常溫發(fā)泡制備石墨烯氣凝膠

具有高孔隙率的超輕氣凝膠是利用納米材料特殊表面性質(zhì)的一種重要形式，在儲(chǔ)能、催化、絕熱、傳感器和復(fù)合材料等方面顯示出巨大的應(yīng)用潛力。以石墨烯氣凝膠為例，發(fā)展了兩種基本的制備方法：溶膠凝膠法和模板法。這兩種方法都是從可溶石墨烯或其衍生物的稀釋分散體開始的。分散的石墨烯衍生物形成相互連接的凝膠，然后通常采用特定的干燥技術(shù)，如超臨界干燥和冷凍干燥以制備氣體，以避免結(jié)構(gòu)崩潰。目前，普遍采用的冷凍干燥方法已被廣泛應(yīng)用于小規(guī)模制備，但仍不能滿足熱塑性聚合物海綿的高效工業(yè)化生產(chǎn)。

研究者發(fā)明了一種溶致塑化發(fā)泡(HPF)方法，可以將層狀氧化石墨烯(GO)固體直接轉(zhuǎn)化為氣體，不僅是在連續(xù)的塊狀材料中，而且在大面積微陣列中也是如此。HPF法實(shí)現(xiàn)了氣體的直接發(fā)泡，類似于工業(yè)熱塑性聚合物海綿。水在GO層間的嵌入為氣泡的形核和長大提供了塑性。我們發(fā)現(xiàn)氣泡的形成遵循經(jīng)典的結(jié)晶規(guī)則，允許精確控制氣體的胞壁厚度(8~40 nm)和密度(5~20 mg cm?3)。穩(wěn)定的氣泡聚集產(chǎn)生了2D薄片的無縫連接，并提供了具有超強(qiáng)機(jī)械穩(wěn)定性的氣體，可抵抗極端變形，如撕裂和剪切，能夠與聚合物海綿相媲美。直接發(fā)泡GA同時(shí)具有高應(yīng)變系數(shù)(GF)(~2)和超寬應(yīng)變范圍(0至95%)和超穩(wěn)定性(104個(gè)循環(huán))，表現(xiàn)優(yōu)于大多數(shù)應(yīng)變傳感器。在深度學(xué)習(xí)的框架下，柔性GA陣列被用作人工智能觸覺傳感器，在識(shí)別材料種類和表面結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確率達(dá)到80%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人類手指的平均識(shí)別能力(30%)。

4、納米纖維素氣凝膠及Cu - BTC/納米纖維素氣凝膠復(fù)合材料

金屬-有機(jī)框架(MOFs)是由金屬節(jié)點(diǎn)(金屬離子或團(tuán)簇)連接到多齒有機(jī)連接器的多孔結(jié)晶聚合物網(wǎng)絡(luò)。MOFs具有獨(dú)特的特性，包括表面積超高的孔隙率、低密度、高熱穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)的孔隙結(jié)構(gòu)，因此在氣體分離和儲(chǔ)存、催化、吸附、能量儲(chǔ)存、藥物輸送、化學(xué)傳感等許多應(yīng)用中受到了特別的重視。在各種類型的MOFs中，Cu-BTC或者Cu2(BTC)3是與IRMOF系列一起著名的結(jié)構(gòu)之一。由于Cu-BTC具有開放的金屬位點(diǎn)和較大的孔隙率，因此具有特殊的應(yīng)用潛力。

在本篇文章中，研究者成功地合成了純納米纖維素氣凝膠以及Cu-BTC/納米纖維素氣凝膠復(fù)合材料。納米纖維氣凝膠作為Cu-BTC粉末的固定模子，被困在納米纖維氣凝膠中的Cu-BTC能夠保持其性能。結(jié)果表明，所制備的復(fù)合材料對(duì)剛果紅有較好的吸附效果。然而，由于剛果紅在水溶液中的陰離子性質(zhì)，純的CNC氣凝膠對(duì)剛果紅沒有表現(xiàn)出任何吸附。另一方面，Cu-BTC/NFC復(fù)合氣凝膠和純CNC氣凝膠均可作為固定的固體還原劑。研究者相信，一個(gè)完整的固體還原劑將吸引科學(xué)家進(jìn)行大量的研究，因?yàn)樗梢栽诮鉀Q方案中不產(chǎn)生任何有害的副產(chǎn)品而進(jìn)行應(yīng)用，因此它避免了副產(chǎn)品分離的需要。另一方面，它很容易從反應(yīng)介質(zhì)中分離出來。最重要的是，根據(jù)合成條件，這類化合物可以同時(shí)發(fā)揮還原劑和催化劑的作用，就像CNC氣凝膠一樣。

5、混合多孔六方氮化硼磁性氣凝膠

快速的城市化和工業(yè)擴(kuò)張導(dǎo)致了自然水中無機(jī)和有機(jī)污染物的大量增加，這與公共衛(wèi)生和水質(zhì)密切相關(guān)。各種工業(yè)向水中排放重金屬、有機(jī)染料和多環(huán)芳烴，而沒有對(duì)這些污染物進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬艋幚?。由于有毒金屬、有機(jī)染料和多環(huán)芳烴在環(huán)境中的持久性和極強(qiáng)的毒性，從環(huán)境水中去除它們已被認(rèn)為是獲得清潔水的最重要問題之一。

在本篇文章中，研究者旨在合成磁性混合氣凝膠(MHAs) ，從水溶液中有效捕獲Cr(VI)， As(V)， MB和酸性橙(AO)。通過在聚乙烯亞胺修飾的六方氮化硼納米片（h-BNNSs） (命名為PEI-h-BNNSs@Fe3O4 NPs)表面“原位”形成磁鐵礦納米顆粒(Fe3O4 NPs)，然后通過溶膠-凝膠法和凍干處理制備MHAs。制備的MHAs (PEI-h-BNNSs@Fe3O4 NPs-PVA氣凝膠)具有不同官能團(tuán)(- N，-NH，-NH2和- OH)的三維結(jié)構(gòu)，具有較大的比表面積和零凈電荷。此外，將磁性材料加入氣凝膠具有簡單、低成本和快速回收過程的額外優(yōu)勢(shì)。通過吸附等溫線和動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)一步研究了MHAs的吸附行為，在水溶液中能夠有效捕獲Cr(VI)，As(V)，MB和酸性橙(AO)，其最大吸附容量分別為833、426、415、286 mg g?1。并通過修復(fù)Cr(VI)/As(V)污染的土壤污泥樣品驗(yàn)證了其可行性。