生物质碳气凝胶的研究现状及发展趋势

生物质碳气凝胶具有高孔隙率､大比表面积､突出的机械性能和非凡的导电性等优点,是全球绿色发展背景下的研究热点。对生物质碳气凝胶的发展历程､原料种类､制备过程､应用领域及未来发展前景等方面进行了综述。

气凝胶在阻燃领域的研究进展

综述了近年来国内外硅系气凝胶、有机气凝胶和碳系气凝胶在阻燃领域的研究进展。概述了气凝胶的特点、在阻燃领域的相关阻燃改性技术及其对材料阻燃性能的影响。总结了各种气凝胶的优缺点及未来发展趋势。

低碳节能背景下有机气凝胶的发展及应用

随着低碳节能可持续发展主题的提出,能源和环境问题逐渐在科研和工业领域中成为被关注的焦点。在实现节能减排和解决环保问题过程中,具备可再生性和环境友好性的材料显得尤为重要。气凝胶作为一种具有三维连续网络结构、比表面积大、孔隙率高和导热系数低等结构功能特性,以及多样的制备方法和种类的纳米材料,成为备受瞩目的新型材料之一。其中,有机气凝胶由于轻质、高比表面和易合成等独特性能,在保温隔热、阻燃、吸附和储能电容等领域中具有广泛的应用前景。从有机气凝胶的主要分类(多糖气凝胶、合成气凝胶等)出发,论述了近年来报道的几种典型有机气凝胶的研究热点、常见制备方法、基础材料性能、功能化改性及其应用研究现状。总结了气凝胶制备过程中,湿凝胶的制备方法和不同的干燥工艺的特性。同时,简要介绍了当前有机气凝胶不同的功能化改性方法,并探讨了在制备过程中可能存在的问题。归纳总结了不同改性制备工艺,所得的有机气凝胶在实际应用中适用的场景和应用方向。展望了有机气凝胶的未来发展方向,强调了进一步提高材料性能、优化制备工艺及拓展应用领域的重要性。希望通过对有机气凝胶研究的深入,推动其在可持续发展领域中更广泛地应用,为环境友好型材料的发展做出更大的贡献。

包载型聚丙烯腈/SiO_(2)气凝胶复合纳米纤维制备及其隔热性能

针对传统气凝胶纤维后处理操作复杂、加工不稳定等问题,且为有效集成纳米气凝胶与纳米纤维功能和结构优势,本文围绕新型气凝胶复合纳米纤维成形与结构调控的关键难题,利用溶液喷射同轴纺丝技术将聚丙烯腈(PAN)与SiO_(2)气凝胶通过一步法制备PAN/SiO_(2)气凝胶复合纳米纤维,研究了复合纳米纤维中SiO_(2)气凝胶质量浓度对纤维形态结构、稳定性、孔径分布、隔热性能的影响。结果表明:所制备的PAN/SiO_(2)气凝胶复合纳米纤维形态结构上呈三维卷曲状,SiO_(2)气凝胶的引入使纤维表面形成多孔褶皱型结构,且纤维表面的微孔、介孔含量随SiO_(2)气凝胶质量浓度的增加逐渐增多;该气凝胶复合纳米纤维具有优异的隔热性能,当SiO_(2)气凝胶质量浓度为6 mg/mL时,PAN/SiO_(2)气凝胶复合纳米纤维在40℃的导热系数低至0.03738 W/(m·K),未来在服用保暖、工业隔热、军用热红外屏蔽等方面具有广阔的应用前景。

固化单宁纤维素基气凝胶吸附还原Ag(I)行为研究

以纤维素为原料,在NaOH/尿素/H_(2)O溶解体系中通过交联作用将橡椀单宁固化在纤维素基体上,制得固化橡椀单宁纤维素基气凝胶(VTCA).通过SEM-EDS、FT-IR、XRD等对VTCA进行表征,并研究其对水溶液中Ag(I)的吸附行为.结果表明,VTCA具有明显的三维网格多孔结构,孔隙率达到97.95%,在较宽的pH范围内(1~8)对Ag(I)均保持较高的吸附效率(>75%).吸附过程符合拟二级动力学模型和Langmuir吸附等温线模型,温度升高有利于吸附,最高理论吸附量为147.2mg/g.吸附还原研究机理表明,VTCA主要通过静电吸引和螯合作用将Ag(I)吸附到其表面,并通过单宁结构上的酚羟基将其原位还原为Ag^(0),证明VTCA具有良好的吸附还原性能,能够实现对水体中Ag(I)的回收.

凹凸棒/琼脂复合气凝胶的制备及太阳能界面蒸发性能

太阳能界面蒸发是一种新兴的、可持续海水淡化和废水净化方法,在缓解淡水资源短缺方面具有巨大的潜力。本研究以凹凸棒和琼脂为原料,通过物理混合、冷冻干燥、交联反应等步骤制备得到凹凸棒/琼脂复合气凝胶(AACA),AACA具有分级多孔结构、优异的隔热性能以及超亲水性能。为了提高材料的光吸收性能,对AACA的表面进行聚吡咯(PPy)喷涂,制备得到了光热转换材料PPy-AACA,其在250~2500nm范围内的平均光吸收率可达到97.7%。以PPy-AACA作为太阳能界面蒸发器,在1个太阳的光照强度下(1k W/m^(2)),PPy-AACA的蒸发速率为1.5012kg/(m^(2)·h),能量转换效率为88.76%。PPy-AACA在循环蒸发实验和盐水蒸发实验中表现出优异的稳定性和抗盐性能。此外,该光热转换材料还证明了海水淡化和净化染料污水的能力,其盐离子和有机染料的截留率均大于99%。

TEPA改性Cu-BTC@SiO_(2)复合气凝胶制备及其捕集CO_(2)特性研究

在“碳达峰、碳中和”这一国家重大战略背景下,CO_(2)捕集已经成为当前重大科技发展方向。固体吸附剂吸附法在CO_(2)的捕集过程中应用广泛,其中SiO_(2)气凝胶具有成本低、合成方法灵活、分离效率高、表面易修饰等优点。然而,SiO_(2)气凝胶材料也存在CO_(2)/N_(2)吸附选择性低,CO_(2)吸附容量有待继续提高等缺陷。为解决上述问题,制备了一种Cu-BTC@SiO_(2)复合气凝胶CO_(2)吸附材料。首先,利用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)和氮气吸脱附测试对材料表面化学和孔隙结构进行了系统表征。然后,通过二氧化碳吸附测试对其CO_(2)吸附量、选择性吸附、循环吸附进行了研究。最后,采用理论与试验研究结合的方法,对吸附剂的CO_(2)吸附动力学进行了研究。结果表明:Cu-BTC与SiO_(2)气凝胶具有结构协同作用,与Cu-BTC复合后的SiO_(2)气凝胶不会改变材料的Si-O-Si骨架结构,同时可以保持Cu-BTC的晶体结构不受到损坏。复合材料具有726.431 m^(2)/g的高比表面积,570.781 m^(2)/g的微孔比表面积和0.184 cm^(3)/g的高微孔体积。负载四乙烯五胺(TEPA)后CO_(2)吸附量高达3.20 mmol/g,CO_(2)/N_(2)选择性吸附系数为40.8,循环10次CO_(2)吸附循环,吸附容量仅下降14%,提高了SiO_(2)气凝胶材料的CO_(2)吸附容量和吸附选择性。Avrami分数动力学模型对吸附试验结果拟合相关系数为0.99,且Avrami指数nA为1.9表明吸附剂对CO_(2)的吸附是非均质的多层吸附,既有物理吸附又有化学吸附,且以物理吸附为主。利用具有丰富微孔结构的金属有机骨架材料Cu-BTC与SiO_(2)气凝胶进行复合,使复合材料具有分级微/介孔结构,通过增强分子间作用力(范德华力)来增强材料对CO_(2)的物理吸附;使用TEPA对材料进行浸渍改性,利用有机胺和酸性气体之间的酸碱相互作用来增强材料对CO_(2)的化学吸附。

SiO_(2)高效节能气凝胶隔热材料的制备及性能研究

以N,N-二甲基甲酰胺为干燥剂,通过常压干燥法制备了SiO_(2)气凝胶隔热材料,研究了正硅酸乙酯和水的摩尔比对SiO_(2)气凝胶形貌、物相结构、孔径分布、力学性能和导热性能的影响。结果表明,SiO_(2)气凝胶隔热材料为典型的非晶结构,具有有序的介孔孔道,随着水摩尔比的增大,气凝胶的孔道结构有序度逐渐提高,宏观形貌更加完整且致密,摩尔比n(TEOS)∶n(水)=1∶30制备出的气凝胶的多孔网格结构最为致密。随着水摩尔比的增大,SiO_(2)气凝胶的比表面积、抗压强度先增大后降低,导热系数先降低后增大。当摩尔比n(TEOS)∶n(水)=1∶30时,气凝胶比表面积最大为441 m^(2)/g,对应的孔体积为0.414 cm^(3)/g,孔径分布为3.75 nm,抗压强度最大为29.79 kPa,导热系数最低为0.022 W/(m·K),保温性能最优。以TMCS和正己烷对SiO_(2)气凝胶进行疏水改性,体积比V(TMCS)∶V(正己烷)=1∶10时,SiO_(2)气凝胶表面的接触角达到最大值139.6°,疏水性能最佳,热稳定性也得到改善。

MOF-808@ANFs气凝胶的制备及其对CEES的催化降解

为实现对芥子气模拟物去污,开发柔性防护织物。利用磷酸处理对芳纶纳米纤维(ANFs)表面改性,利用水热法实现MOF-808在ANFs表面的原位生长,利用冰模板技术制备MOF-808@ANF气凝胶材料,研究MOF-808的负载量对其结构和对芥子气模拟物2-氯乙基乙基硫醚(CEES)降解性能的影响。结果表明:MOF-808负载量可达125.56%,比表面可达408.267 m^(2)/g,MOF-808@ANF气凝胶对CEES具有良好的降解效果,24 h内降解率可达到90.97%,半衰期为30.11 min;同时具有良好的结构稳定性和隔热性能。

纤维素及纤维素纤维气凝胶的制备及其在油水分离中的应用研究进展

近年来,研究者们制备了各种吸附材料应用于溢油处理,其中气凝胶作为地球上最轻的合成固体,具有超低密度、高孔隙率和高比表面积等优点,在油水分离处理方面得到了广泛关注。纤维素作为一种廉价而丰富的天然聚合物,是制备气凝胶材料的良好原料。本文综述了纤维素气凝胶的制备方法、干燥方法以及疏水改性方法,并对纤维素气凝胶在油水分离领域的应用现状进行分析总结。

磁性石墨烯气凝胶复合材料的制备及其性能研究

针对石墨烯材料在吸波领域存在介电常数较大、阻抗匹配差等缺点,采用水热法调控石墨烯与Fe_(3)O_(4)的比例,制备一种兼具宽频带、轻质、高吸波性能的磁性石墨烯气凝胶复合材料(Fe_(3)O_(4)/GA)。对复合材料的形貌、结构及吸波性能进行表征和分析,结果表明,该复合材料呈三维多孔结构,Fe_(3)O_(4)纳米颗粒均匀负载在石墨烯表面;复合材料在较宽的频带上均表现出优异的吸波性能,且随着Fe质量的增加复合材料的吸波性能逐渐增强;当FeCl_(3)·6H_(2)O添加质量为0.42 g时,复合材料Fe_(3)O_(4)/GA-0.42的RLmin在15.6 GHz处达到-49.75 dB,厚度为3 mm时的有效吸收频带宽为7.12 GHz,具有良好的吸波性能。

超薄透明芳纶纳米纤维气凝胶膜的制备及隔热性能

为实现废弃芳纶高品质资源化利用,结合浸没沉淀相转化和冷冻干燥法,利用废弃芳纶成功制备了柔性、透明且隔热的芳纶纳米纤维(ANFs)超薄气凝胶膜。优化了ANFs气凝胶膜成型工艺,并借助FESEM、BET、FTIR、UV-Vis、TG及FLIR对所制ANFs薄膜的微观形貌、化学结构、透光性及热学性能进行分析。结果表明:ANFs被成功剥离,平均直径为18.32 nm;所制ANFs气凝胶膜成型良好,具有三维网络结构,其比表面积和孔隙率分别达52.73 m^(2)/g和92.43%;ANFs气凝胶膜具有超高的透明性和防紫外性(紫外透过率接近0%),在500~780 nm范围内透过率均大于70%,最高达90.70%;此外,所制ANFs气凝胶膜热稳定性良好,具有优异的隔热性能和柔性,四层薄膜隔热温差达28℃。该超薄透明ANFs气凝胶膜制备工艺简单且成本低,具有透光、防紫外及隔热特性,在防护膜领域具有广阔的应用前景。

SiO_(2)气凝胶/环氧树脂/酚醛树脂复合材料性能研究

为拓宽SiO_(2)气凝胶(SA)的应用领域,以E-51环氧树脂(EP)、SA作为添加剂,采用常压干燥法,逐次与酚醛树脂(PF)、环氧树脂/酚醛树脂材料(EP/PF)混合,制备出SiO_(2)气凝胶/环氧树脂/酚醛树脂(SA/EP/PF)复合材料,通过傅立叶变换红外光谱、比表面积、孔径及力学性能测试,研究了SA、EP对PF隔热性能、力学性能的影响。结果表明:环氧树脂嫁接到酚醛树脂分子中,可改善酚醛树脂的力学性能,当环氧树脂添加量为20%时,最大拉伸强度提高了66%,最大弯曲强度提高了62.5%;当SiO_(2)气凝胶添加比例为1%时,SiO_(2)气凝胶/环氧树脂/酚醛树脂复合材料的导热系数最小,低至0.3185W/(m·K),隔热性能相比酚醛树脂提升16.14%,为SiO_(2)气凝胶推广应用提供了理论依据。

Al_(2)O_(3)/SiO_(2)/ZrO_(2)三元复合气凝胶材料的制备及性能研究

以六水合氯化铝(AlCl_(3)·6H_(2)O)、正硅酸乙酯(TEOS)和八水合氧氯化锆(ZrOCl_(2)·8H_(2)O)为混合前驱体,以环氧丙烷(PO)作为凝胶网络诱导剂,乙醇和水作为溶剂,采用溶胶-凝胶工艺和二氧化碳超临界干燥技术制备出了Al_(2)O_(3)-SiO_(2)-ZrO_(2)三元复合气凝胶。研究了不同PO添加量、醇水体积比和Al/Si/Zr摩尔比对其性能和结构的影响,采用扫描电镜、比表面积分析仪和多功能粉体物理特性测试仪对气凝胶的凝胶形态、微观形貌及孔结构进行表征。结果表明:当PO添加量为88mL,醇水体积比为8∶9,Al/Si/Zr摩尔比为12∶3∶1和12∶4∶1时制备出的气凝胶结构性能良好,且凝胶时间在较合适的范围内,具有较低的密度为0.125g/cm^(3)和0.143g/cm^(3),较高的比表面积为683.14m^(2)/g和684.56m^(2)/g。

芳纶纳米纤维/碳纳米管复合气凝胶传感器的制备及其性能

针对导电气凝胶结构稳定性差导致传感性能不佳的问题,提出以去质子化方法制备芳纶纳米纤维(ANFs),并与改性碳纳米管(CNTs)进行共混,得到具有高压缩回弹性、高灵敏度的复合气凝胶传感器,并对其热学性能、力学性能和传感性能进行表征。实验结果表明:ANFs与CNTs之间混合均匀,并通过氢键连接形成了稳定的内部网状结构,气凝胶能承受50%的压缩比,并在100次的压缩循环后,完全恢复到初始状态;更重要的是,复合气凝胶在压缩循环中展现出稳定的电信号输出以及0.1 kPa的超低检测极限,因而在柔性应变传感器领域具有较大的应用潜力。

罗布麻杆提取木质素的气凝胶性能

选择氯化胆碱(ChCl)与乳酸(LA)合成低共熔溶剂(DES)来提取罗布麻秸秆中的木质素,并将提取的木质素(DL)与聚乙烯醇(PVA)共混,以四硼酸钠为交联剂,通过冷冻干燥技术制备了气凝胶A-PBDL。试验结果表明:DES提取木质素最佳工艺为:n(ChCl)∶n(LA)=1∶9,120℃提取9 h;红外图谱分析得知木质素中含有对羟基苯丙烷、创愈木基和紫丁香基三种结构,平均粒径为3.601μm。研究了气凝胶制备中木质素添加量、PVA浓度和四硼酸钠浓度对气凝胶孔隙率和强力的影响,发现掺杂少量木质素可显著提高气凝胶的力学性能及孔隙率,并增强其热稳定性。

石墨烯气凝胶对放射性废液中单宁酸的吸附

在常压水浴条件下制备三维石墨烯气凝胶(3DrGO-Lcy),研究其吸附放射性废液中的单宁酸。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和拉曼光谱(Raman)等技术对其结构和形貌进行表征,研究了吸附时间、初始浓度、pH值及吸附温度对单宁酸吸附性能的影响,并进一步探究了3DrGO-Lcy对单宁酸的吸附机理。结果表明,在常压水浴条件下,以半胱氨酸为交联剂,能有效将氧化石墨烯交联成三维多孔状的气凝胶。该气凝胶对单宁酸的吸附在120 min即可达到吸附平衡。在pH为4的酸性条件下,对单宁酸的最大平衡吸附容量可达89 mg/g。此外,3DrGO-Lcy对单宁酸的吸附动力学过程符合准二阶动力学模型,而等温吸附过程符合Freundlich模型,表明3DrGO-Lcy通过π-π堆积和官能团氢键作用的多分子层化学吸附过程实现对单宁酸的吸附。

环境友好型气凝胶材料研究进展

气凝胶是一种多孔纳米级固体材料,具有高孔隙率、低密度、高比表面积等特点,被广泛应用于航空航天、催化、隔热保温、隔音材料以及探测高能粒子等领域。本文简要综述了气凝胶的分类、性质、制备及应用方面的研究进展,并对气凝胶的发展进行了展望。

MOFs@气凝胶吸附去除水中污染物的研究进展

MOFs@气凝胶相较于单一的MOFs具有超高的比表面积、较高的孔隙率、较好的聚合物相容性以及出色的结构孔隙等特性,可高效吸附去除水中污染物。介绍了MOFs@气凝胶的结构和理化性质以及MOFs@气凝胶的常用合成策略,并重点分析了合成策略的优缺点以及所面临的挑战;详述了MOFs@气凝胶对污水中重金属离子和有机化合物的吸附条件和吸附性能,对相关吸附机理做了系统总结和对比;阐述了MOFs@气凝胶在吸附水中污染物方面的可重复利用性。最后针对MOFs@气凝胶中MOFs的稳定性、气凝胶的基质材料、应用范围以及干燥技术等问题提出优化方向,指出提高MOFs@气凝胶的稳定性、探索新型基质材料、扩大MOFs@气凝胶的应用范围、探寻经济绿色的合成技术将是未来的研究方向。

Al掺杂对SiO_(2)气凝胶耐高温特性的影响研究

SiO_(2)气凝胶具有成本低、制造工艺简单、化学性质稳定、密度小、超高比表面积等优点,是应用最广泛的高温保温隔热材料。以Si28和Si40为Si源,仲丁醇铝为Al源,乙醇为溶剂,采用酸碱催化、CO_(2)超临界干燥法制备了Al掺杂SiO_(2)气凝胶。结果表明:所得产品高温热处理后均为非晶态无定型结构,无掺杂SiO_(2)气凝胶线收缩率为24.34%,Al掺杂SiO_(2)气凝胶线收缩为14.05%,且在高温热处理后有较大的比表面积和孔体积,说明Al掺杂SiO_(2)气凝胶具有较好的耐高温性能和高温下的绝热性能,这是因为Al元素的掺入使气凝胶在形成过程中产生了很多细小的纳米空洞,热处理过程中Al-Si-O发生化学反应形成双金属氧化物,使气凝胶的氧化物骨架支撑力更强。