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)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。

3D打印柔性SiO_(2)气凝胶复合材料的研究

SiO_(2)气凝胶因特殊网络结构而存在优异的性质,如高比表面积、高孔隙率、低热导率和低密度,是优异的保温绝热材料。但SiO2气凝胶机械性能脆弱,导致传统制造方法难以制备复杂和微小型构件,极大地阻碍了SiO_(2)气凝胶在隔热领域的发展和应用。本文通过3D打印直写技术制备了柔性SiO_(2)气凝胶复合材料,通过研究不同聚乙烯醇(PVA)溶液和十八酸钠(C_(17)H_(35)COONa)的含量,找到最佳浆料配比,打印的柔性SiO_(2)气凝胶复合材料在100℃下的热导率低至0.026 W/(m·K),同时具有较好的压缩性能、弯曲性能和疏水性。这项研究为SiO_(2)气凝胶的规模化应用提供一种可能。

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。

Al_(2)O_(3)-SiO_(2)复合纳米气凝胶材料耐高温性能研究

以正硅酸四乙酯(TEOS)和六水合氯化铝(AlCl_(3)·6H_(2)O)作为混合前驱体,环氧丙烷作为网络诱捕剂,在不添加螯合剂情况下,采用溶胶-凝胶工艺与CO_(2)超临界干燥法制备出了不同摩尔比的Al_(2)O_(3)-SiO_(2)复合气凝胶。对样品分别进行600℃、800℃、1000℃和1200℃热处理,并利用傅里叶红外光谱分析仪、扫描电镜、X射线衍射仪、比表面积分析仪、热重差热分析仪等仪器对Al_(2)O_(3)-SiO_(2)复合气凝胶的微观形貌、结构及热稳定性能进行表征。结果表明:当AlCl_(3)·6H_(2)O∶TEOS=8∶1时,Al_(2)O_(3)-SiO_(2)气凝胶样品在1000℃和1200℃热处理后的导热系数分别为0.0621 W/m·K和0.0803 W/m·K,在1000℃以上热处理后,孔径更加均匀,保留了较好的介孔结构;并且不同的热处理温度延缓了晶型转变,在常温和1200℃条件下,样品比表面积分别为617.14 m^(2)/g和102.9 m^(2)/g,为均匀的介孔结构(孔直径为8~32 nm),孔径低于常温下空气的平均自由程,在1200℃热处理后,样品总失重率为16.3%,具有较好的高温热稳定性。

用于激光照明的荧光粉@SiO_(2)气凝胶复合发光材料的制备与发光性能研究

通过溶胶-凝胶法成功制备了Tb_(3)Al_(5)O_(12)(TAG)荧光粉。热分析数据证实,增加H_(3)BO_(3)摩尔比会导致最终相的转变温度降低。同时,通过扫描电镜观察到,H_(3)BO_(3)摩尔比的提高会导致荧光粉颗粒尺寸增大。在激发波长为275 nm的条件下,发射光谱在480~650 nm范围内出现了由Tb^(3+)的5d→4f跃迁产生的多个发射峰。然后通过物理掺杂和超临界干燥工艺成功制备了荧光粉@SiO_(2)气凝胶复合发光材料。与荧光粉相比,荧光粉@SiO_(2)气凝胶复合发光材料的内量子产率显著增加,可达63.64%。采用波长为355 nm的激光源激发荧光粉@SiO_(2)气凝胶复合发光材料,可实现长距离无导线方式发光,并具有良好均匀性。以上结果证明了荧光粉@SiO_(2)气凝胶复合发光材料在激光应急照明领域具有潜在的应用前景。

SiO_(2)气凝胶/酚醛树脂复合材料隔热性能研究

为了拓展酚醛树脂的工程应用,采用SiO_(2)气凝胶添加相,使用直接混合的常压干燥法制备了不同比例SiO_(2)气凝胶/酚醛树脂复合材料,通过红外光谱、比表面积及孔径分析对该复合材料的隔热性能进行研究。结果表明:SiO_(2)气凝胶以填充酚醛树脂中大孔的方式与酚醛树脂聚合,形成更加密集的网络,导致酚醛树脂的平均孔径明显下降,使导热系数明显下降,当SiO_(2)气凝胶含量为1%时,复合材料的导热系数最小,达到0.3331W/(m·K),相比酚醛树脂的隔热性能提高了12.30%,隔热性能最优,为酚醛树脂在隔热应用中提供了理论支持。

气相SiO_(2)复合水凝胶聚合物电解质用于近中性锌-空气电池

近中性锌-空气电池具有对锌负极良好的沉积/剥离相容性和对空气中二氧化碳的化学稳定性,在长循环方面展现出极高的应用前景。然而,液态电解质固有的水分挥发问题和可穿戴设备所需的柔性等需求,限制了这一体系的实际应用。本研究复合了具有高离子电导率和机械强度的聚丙烯酰胺聚合物骨架、具有丰富硅羟基的保水添加剂气相SiO_(2)和对二氧化碳稳定的近中性电解液,制备了气相SiO_(2)复合水凝胶聚合物电解质(SiO_(2)-HPE)。所合成的SiO_(2)-HPE聚合程度高,表面孔道丰富且元素分布均匀。SiO_(2)表面丰富的硅羟基通过改变HPE中的氢键网络,加强了对水分子的束缚,SiO_(2)-HPE因此展现出了良好的保水性、优异的机械性能和较高的离子电导率,是一种理想的柔性锌-空气电池电解质。基于SiO_(2)-HPE组装的近中性锌-空气电池,在相对湿度为30%的条件下,循环寿命可达200 h。此外,基于SiO_(2)-HPE的柔性近中性锌-空气电池器件在弯曲和剪切等特殊条件下都展现出优异的性能,并且可作为电源为不同的用电器供电,是一种极具潜力的下一代电化学储能器件。

Al_(2)O_(3)-SiO_(2)/纤维素复合气凝胶的制备及其阻燃性能

针对纤维素气凝胶隔热性能差、易燃烧等问题,基于液氮定向冷冻及真空冷冻干燥技术,以低成本、环境友好的微晶纤维素为原材料,Al_(2)O_(3)-SiO_(2)溶胶为阻燃剂,去离子水为溶剂,加入硼酸作为催化剂控制共水解进程,制备出隔热阻燃性能良好的Al_(2)O_(3)-SiO_(2)/纤维素复合气凝胶。采用扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱仪、热重分析仪、锥形量热仪等研究了Al_(2)O_(3)-SiO_(2)溶胶含量对材料结构与性能的影响,并分析了复合气凝胶的阻燃机制。结果表明,随着Al_(2)O_(3)-SiO_(2)溶胶含量的增加,Al_(2)O_(3)-SiO_(2)/纤维素复合气凝胶从蜂窝状结构向多孔三维网络结构转变,孔径减小。Al_(2)O_(3)-SiO_(2)溶胶与微晶纤维素溶液体积比为2∶10时,具有最高分解温度205.21℃和最大质量保持率35.191%。点燃时间为11 s,热释放速率峰值为127.13 kW/m^(2),表现出更好的阻燃性与抑制火焰生成能力。

纳米SiO_(2)气凝胶水泥基复合材料中水的形态分布规律研究

为了研究纳米SiO_(2)气凝胶对水泥基复合材料水分分布机制的影响,采用LF-NMR技术对室温环境下不同掺量(0、5%、7%、10%)纳米SiO_(2)气凝胶水泥基复合材料(AIC)吸水30 min后的T2信号进行了测试,在真空饱和的条件下,采用孔隙体积内饱水度描述AIC吸水前后含水量空间变化。结果表明:AIC0、AIC5、AIC7、AIC10试件的T2谱最高峰的峰面积所占比例分别为83.0%、78.7%、79.3%、79.6%,掺入纳米SiO_(2)气凝胶降低了最高峰的峰面积;当纳米SiO_(2)气凝胶掺量由0增至10%时,AIC试件的吸附水、毛细管水及孔隙水饱水度均减小;纳米SiO_(2)气凝胶能降低AIC的自由水存储性能。

SiO_(2)气凝胶/硅溶胶复合材料的制备及传热机理研究

由于纳米SiO_(2)与玻璃纤维制备的复合材料表面会出现碎屑,在材料中加入硅溶胶,制备了一种新型SiO_(2)气凝胶/硅溶胶复合材料,通过热重分析仪和傅里叶变换红外光谱仪研究了SiO_(2)气凝胶含量对复合材料热性能和微观结构的影响。结果表明:随着SiO_(2)气凝胶含量的增加,复合材料热导率没有下降,而是出现上升趋势,这与复合材料的密度和固体热导率密切相关;SiO_(2)气凝胶的加入使得复合材料产生了硅氧键,但不影响复合材料的物理结构,由于硅氧键的存在,材料的物理性能更好;SiO_(2)气凝胶含量为9%(质量分数)时,复合材料的性能最佳。

SiO_(2)气凝胶改性复合防火聚苯板的制备及性能

构建了聚苯乙烯泡沫颗粒与玻化微珠二级级配模型,得出聚苯乙烯泡沫颗粒与玻化微珠的最佳粒径比约为5∶2,体积比约为100∶7.根据级配模型配制骨料,采用模压成型工艺制备复合防火聚苯板,显微结构显示其骨料堆积紧密、有序.分析了硅酸盐胶凝材料、SiO_(2)气凝胶及憎水剂对复合防火聚苯板性能的影响.结果表明:复合防火聚苯板的阻燃性能及拉拔强度随着硅酸盐胶凝材料掺量的增加而增大;导热系数和拉拔强度随着SiO_(2)气凝胶掺量的增加而降低,软化系数随着SiO_(2)气凝胶掺量的增加而升高;吸水率随着憎水剂掺量的增加而降低.

聚丙烯腈基预氧丝复合SiO_(2)气凝胶毡制备及性能研究

以正硅酸乙酯为硅源、乙醇为溶剂、氨水为催化剂,采用溶胶—凝胶法和CO_(2)超临界干燥工艺制备SiO_(2)气凝胶。以聚丙烯腈基预氧丝作为复合基材改善SiO_(2)气凝胶的力学性能,制备聚丙烯腈基预氧丝复合SiO_(2)气凝胶毡,探究其制备工艺及热学、力学性能。结果表明:硅源越纯,制备出的聚丙烯腈基预氧丝复合SiO_(2)气凝胶毡导热系数越低;采用真空负压工艺制备预氧丝复合气凝胶毡浸胶最均匀,表面褶皱少,无气泡、无浮胶且性能稳定;凝胶时间在1.5 h左右制备出的预氧丝复合气凝胶毡表面浸胶情况最佳;预氧丝复合气凝胶毡厚度越厚隔热性能越好;SiO_(2)气凝胶与聚丙烯腈基预氧丝复合后绝热毡的力学性能良好。

SiO_(2)气凝胶复合材料在节能领域中的应用

二氧化硅(SiO_(2))气凝胶作为一种具有独特微观结构的高性能材料,以其轻质、低密度和高孔隙率的特性在各个领域显示出卓越的应用潜力。本文对SiO_(2)气凝胶复合材料进行全面探讨并发现,聚合物复合能够增强SiO_(2)气凝胶的柔韧性,同时保持其原有的轻质和高隔热性能。金属材料复合基于纳米尺度上的相互作用,能够提高SiO_(2)气凝胶的机械强度和热稳定性,而纳米材料复合则为SiO_(2)气凝胶引入了如电导性和抗菌性等新的功能特性。在节能方面,SiO_(2)气凝胶复合材料在传统砂浆和混凝土、内墙涂料、外墙与屋顶、热水器储水箱、集热器、管道系统及玻璃等多个领域展示出显著的应用效果,在提升节能效率的同时,还展现出良好的环境适应性和环境友好性,有助于推动建筑行业向可持续发展方向转型。

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。

MnO_(2)/碳气凝胶复合电极材料的制备及其电化学性能

采用溶胶-凝胶法,利用可溶性淀粉制备碳气凝胶基体,并通过水热反应将MnO_(2)纳米结构在碳气凝胶(CA)表面原位生长,制得了MnO_(2)/CA复合电极材料,并对该复合材料进行了结构和形貌表征以及电化学性能测试.结果显示,MnO_(2)/CA复合材料相比于纯相的MnO_(2)有着更好的电化学性能.样品M15CA(原料中KMnO 4与CA以15∶1的质量比复合得到的样品)在1 A/g的电流密度下比电容可达202 F/g,电流密度从1 A/g增加至10 A/g时比电容保持率为77.4%,在10 A/g下经过10000次循环后比电容保持率为88.6%.复合材料性能的提升主要归因于CA高的导电性,其与MnO_(2)复合后电极的转移电阻显著降低.另外,CA的三维多孔网络结构有效防止了MnO_(2)的团聚,使得电极材料与电解液更加充分接触、反应活性位点增多.

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。

SiO_(2)气凝胶芳香微胶囊的制备及缓释性能

为提高芳香微胶囊的缓释性能,以SiO_(2)气凝胶为载体,利用真空法将香精负载到SiO_(2)孔道内,并进一步利用层层自组装方法在SiO_(2)气凝胶微胶囊表面包覆海藻酸钙/壳聚糖皮层,制备SiO_(2)气凝胶复合微胶囊。对包覆前后的芳香微胶囊的香精含量、缓释性能及释放机理进行研究。研究表明:在制备温度70℃,制备时间6 h条件下,微胶囊中精油质量分数可达到54.7%。微胶囊可以在常/高温下有效地实现香精的缓释,且包覆处理后的微胶囊的缓释效果得到增强。两种微胶囊在常温条件下释放香精遵循Fick扩散的特征。

纤维增强SiO_2气凝胶隔热复合材料的制备及其性能

将无机陶瓷纤维与SiO2溶胶混合,经超临界干燥制备了SiO2气凝胶隔热复合材料。SiO2气凝胶纤细的骨架颗粒减少了固态热传导,纳米级孔减少了气体热传导和对流传热,同时无机陶瓷纤维减少了辐射传热。SiO2气凝胶复合材料具有良好的隔热性能,其200℃和800℃的热导率分别为0.017W/m.K和0.042W/m.K。纤维的加入提供了力学支撑,高温处理增强了气凝胶骨架强度,材料在常温和高温下均具有良好的力学性能,其常温的拉伸、弯曲和抗压强度分别为1.44MPa、1.31MPa和0.98MPa(10%应变),800℃的拉伸、弯曲和抗压强度分别为1.95MPa、1.80MPa和1.42MPa(10%应变)。