气凝胶研发进展丨近期气凝胶领域顶刊成果！
中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所项目研究员王锦等人开发了以应用于服装领域的热塑性聚氨酯为基底，氧化硅气凝胶颗粒为功能基元的辐射致冷薄膜。可通过简单和可扩展的非溶剂相分离策略形成微孔，增强薄膜的透湿率以及光学散射中心提高太阳光反射率，同时利用疏水氧化硅功能基元提高PDRC材料的疏水性能，使其免于雨水淋湿、灰尘污染，延长致冷薄膜的使用寿命。在炎热的夏天，实现了相较于环境温度10oC致冷效果。此外，该薄膜可以折叠、卷曲，裁剪成各种形状，展现出超强的柔性和可裁剪性；薄膜前驱溶液可像油漆一样，将气凝胶/聚氨酯自支撑辐射致冷薄膜涂覆在传统织物上，实现传统面料的辐射致冷应用。该气凝胶功能化薄膜在可见光波段具有较高反射率为0.89，在中红外波段的发射率也高达0.96。通过自搭建装置进行户外模拟测试，结果表明，TPU以及AFTPU-X薄膜覆盖下的基材温度均低于环境温度，其降温效果在太阳功率超过800 W/m2的情况下达到10oC。对传统织物辐射致冷改性后，光学性能有所改善，反射率从0.63提高至0.84，发射率由0.86提高至0.97。在一天中最热时间段的模拟户外测试中，Nylon/AFTPU-10 所覆盖的基材温度比尼龙、棉、涤纶这一系列同色商业面料至少可低8℃，最高可达12℃，未来有望用于人体热管理。将AFTPU-10与Nylon/AFTPU-10缝制在志愿者衣服左侧胸前，并用红外相机和多通道手持测温仪记录全程的温度变化情况。AFTPU-10的温度比布的温度低约11oC，比Nylon/AFTPU-10的温度低7.5oC。该薄膜在多种复杂场景中具备潜在的应用价值，例如遮阳产品、建筑物降温等。研究工作对气凝胶功能化聚氨酯薄膜的制备和传统织物的辐射致冷改性，以及炎热环境下的人体热管理策略等具有重要意义。相关研究成果以Aerogel functionalized thermoplastic polyurethane as waterproof, breathable free-standing films and coatings for passive daytime radiative cooling为题，发表在Advanced Science上。
南开大学陈永胜教授和梁嘉杰教授（通讯作者）等人提出了一种制造柔性聚硅氧烷交联MXene气凝胶的策略，该气凝胶在其细胞壁内具有多级纳米通道，用于超灵敏的压力检测。易于收缩的纳米通道和优化的材料协同作用赋予压阻气凝胶超低杨氏模量（140 Pa）、多种可变导电通路和机械强度。压缩下多级纳米通道的收缩增加了相邻MXene纳米片之间的接触面积，这导致形成许多新的导电路径和相当大的电阻变化。MXene和聚硅氧烷之间形成共价交联，使分层气凝胶具有出色的机械强度和压缩弹性（高达80%）。由于这种复杂的设计，这种气凝胶可以检测0.0063 Pa的极小的压力信号，提供超过1900 kPa-1的高压灵敏度，并表现出优异的传感性此外，即使在10, 000次压缩-释放循环之后，这种微妙的压力传感性能（包括灵敏度和可检测性）也能保持不变。这些传感特性使MXene气凝胶可用于以非入侵性方式监测由深部颈内静脉脉搏产生的超弱力信号，检测与蚊子着陆和起飞相关的动态信号，并对头发绘制静态压力图。相关研究成果以“Pushing detectability and sensitivity for subtle force to new limits with shrinkable nanochannel structured aerogel”为题发表在Nature Commun.上。
据其官网报道，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张学同研究员团队与西北工业大学孔杰教授团队合作，通过将吸湿盐LiCl引入到打孔石墨烯气凝胶纤维中，得到一种具有吸湿性的石墨烯气凝胶智能纤维（LiCl@HGAFs），实现了空气取水、吸附式制冷/制热与宽频微波吸收多功能的集成化。LiCl@HGAFs由于其高表面积和高吸水动力学，使其吸水能力超过4.15gg−1。此外，该吸附剂还可以通过光热和电热两种方法进行再生。随着水的吸附和解吸，LiCl@HGAFs经历了一个高效的传热过程，储热容量为6.93kJg−1。在加热模式和冷却模式下的性能系数可分别达到1.72和0.70。值得注意的是，在被捕获的水中，LiCl@HGAFs表现出较宽的微波吸收，有效吸收频宽为9.69GHz，良好的阻抗匹配，高衰减常数为585。根据这些发现，多功能的LiCl@HGAFs为在水采集、热量分配和微波吸收方面的应用开辟了一条途径。这一策略也表明了将气凝胶纤维功能化为更广泛应用的可能性。。相关工作以Hygroscopic holey graphene aerogel fibers enable highly efficient moisture capture, heat allocation and microwave absorption为题发表在Nature Communications上。
据中国科学院官网报道，苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员张学同团队开发了一种通用的微凝胶辅助悬浮打印（MSP）策略，用于按需构筑各种具有任意立体结构的介孔气凝胶。作为概念证明，研究采用去质子化的凯夫拉纳米纤维（KNF）分散液为墨水，选用合理设计的微凝胶作为辅助基质，通过基于挤出的3D打印技术，将KNF墨水按预先设定的结构逐层沉积到微凝胶基质中，经基质去除、溶剂交换和超临界CO2干燥，获得了由随机缠结纳米纤维组成的3D打印Kevlar气凝胶（3D-KA）。在MSP策略中，可打印墨水的储能模量（G′）、屈服应力（τy）和表观粘度（ηa）必须相互匹配，以确保墨水顺利从喷嘴挤出；相应微凝胶基质的G′、τy和ηa也要相互匹配，以确保针头的稳定移动和对打印线条的承载；针头的内径（d）、挤出压力（ΔP）和打印速度（νp）也对打印线条的尺寸和形貌具有重要影响。此外，MSP策略实施前还需要将某些特定的墨水溶胶-凝胶转变因素，如pH值、温度、化学成分，预加载到相应的微凝胶基质中，以促进墨水的成型。在MSP策略实施过程中，沉积在微凝胶基质中的KNF墨水立即进行部分溶胶-凝胶转变，基质可临时支撑未完全凝胶化的KNF线条直至其完全凝胶老化。研究发现，利用二甲基亚砜（DMSO）和卡波姆（Carbopol）的分散-质子化凝胶作用，以及1,4-二溴丁烷（Db）的化学交联作用，Db可在KNF的氮负离子位点进行取代反应，从而在相邻KNF线条间形成共价烷烃键，促进相邻KNF打印线条之间的粘附力，进而保证结构的完整性。此外，在针头直径一定的情况下，墨水的挤出速率（νe）、针头的移动速率（打印速度，νp）、基质中KNF（ν1）和Db（ν2）的双扩散速率共同影响着KNF打印线条的形态和直径。由于MSP策略中微凝胶基质的辅助作用，挤出打印方法对墨水的流变性要求不严格，打印速度大大提高（高达167 mm s-1），远高于文献报道的打印速度（通常小于20 mm s-1），提高了制备效率。研究发现，通过MSP策略，KNF墨水在高速打印模式下展示了优异的可打印性和可编程性，可制备出具有任意空间结构的Kevlar结构，如各种线条图案和体型结构；采用0.1 M的盐水清洗，可将定制的Kevlar结构从微凝胶基质中取出；通过溶剂置换和超临界干燥，即可得到相应的气凝胶结构。为验证基于MSP策略制备的凯夫拉气凝胶的实际应用，研究人员通过合理的工程设计定制了Kevlar气凝胶绝热组件（3D-KAI）。由于气凝胶固有的隔热性能和Kevlar的极端耐高低温特性，该3D-KAI显示出优异的低温防护性能，在-30℃下，安装有定制3D-KAI的无人机电池（D-LIPO）放电容量为2217 mAh，比未安装3D-KAI的D-LIPO高26%（放电容量为1761 mAh），这表明电池可以得到有效保护，以确保其在恶劣环境下的正常放电。由MSP策略定制的3D-KAI可以准确复制实际设备的多尺度架构，并解决电池在低温下运行时容量下降的问题，可扩展到气凝胶在其他隔热保温环境的应用。通过使用相应的前驱体墨水，上述MSP策略可以推广到其他气凝胶的构筑，包括有机（纤维素、海藻酸盐、壳聚糖）、无机（石墨烯、MXene、二氧化硅）和无机-有机（石墨烯/纤维素、MXene/海藻酸盐、二氧化硅/壳聚糖）复合气凝胶。所有3D打印的气凝胶都显示出良好的螺旋形状，内部具有丰富的多孔结构，验证了MSP策略的普适性。该方法打破了传统基于挤出的直写成型技术对墨水流变性能的严格要求，拓展了可打印材料的种类。相关成果以General Suspended Printing Strategy toward Programmatically Spatial Kevlar Aerogels为题发表在ACS Nano上。
据中科院苏州纳米所官网报道，轻量化实验室项目研究员王锦等人开发了一种以水玻璃为硅源的氧化硅气凝胶低能耗制备技术，并设计了一种简单的气凝胶-相变材料的layer-by-layer(LBL)双层结构(图1c-e)，通过气凝胶与相变材料的合作共赢、协同发挥各自优势，实现了严寒(-30℃)和炎热(70℃)环境下的长续航保温和隔热：在极端严寒(-30℃)下，该LBL结构维持20℃以上的时间比单纯采用气凝胶时延长480%；在极端炎热环境(70℃)中，该LBL结构维持31℃以下的时间比单纯采用气凝胶时延长了1360%。特别是模拟太阳光直射曝晒时，该LBL结构能够长时间维持模型小汽车内的温度低于28℃。 相关研究工作为气凝胶的制备，极端环境下的人体热管理策略，以及日常节能减排提供了一种重要的参考途径，并以“Superhydrophobic Silica Aerogels and Their Layer-by-Layer Structure for Thermal Management in Harsh Cold and Hot Environments”为题发表在ACS Nano上，同时申请了发明专利2项。
频繁的石油泄漏、不溶于水的有机溶剂泄漏以及工业含油废水排放的增加，都造成水污染、生态系统失衡和许多自然灾害。全球对油污净化的需求需要开发低成本、高效率的可靠且灵活的材料和技术。在众多的材料和技术中，吸附剂由于操作简单、回收油分效率高、环保等优点，被认为是油污净化的有前景的候选材料。华南理工大学陈克复院士、曾劲松教授等研究团队提出了一种新策略来有效地制造3D弹性还原氧化石墨烯(RGO)交联碳气凝胶。值得注意的是，从植物纸浆中分离出的纤维素纳米晶体(CNCs)是必不可少的成分，而植物纸浆过程中的工业副产品预水解液(PHL)作为粘合促进剂，实现了碳气凝胶强度和柔韧性的增强. 这是第一次充分利用树的所有成分（纸浆和PHL）来设计碳气凝胶。具有跳板弹性支撑微结构的波浪状碳层的形成能够实现机械拉伸和收缩，并避免压缩过程中的界面塌陷。得益于独特的波浪层结构和强相互作用，碳气凝胶超轻（4.98 mg cm–3 ) 并表现出超压缩（承受95%的极端应变）和超弹性（在50%的应变下500次循环后保持约100%的高度）。特别是碳气凝胶可以选择性、快速地吸附各种油性污染物，表现出较高的油/有机溶剂吸收能力（对四氯化碳可达276 g g–1）和良好的可回收性。最后，展示了碳气凝胶在石油净化和污染修复设备中的实际应用。因此，这种多功能且坚固的功能化碳气凝胶在石油净化和污染修复方面具有广阔的潜力。研究成果以“Mechanically Flexible Carbon Aerogel with Wavy Layers and Springboard Elastic Supporting Structure for Selective Oil/Organic Solvent Recovery”为题发表于ACS Applied Materials & Interfaces。
渤海大学化学与材料工程学院杨姝宜副教授和鄂涛副教授研究发现通过不同碱土金属离子与SA配位构型的差异，利用GO和MMT纳米片层堆叠效应，成功制备出狭缝型孔隙结构可控的气凝胶，并用于选择吸附平面结构的水合铜离子。通过系列表征分析，Sr-G/M含有更致密的狭缝孔隙可以实现对Cu(Ⅱ)的更高效、更稳定的选择性吸附。系统的吸附试验表明，Sr-G/M的最大去除率达到97.1%。选择性试验也进一步表明，Sr-G/M对Cu(Ⅱ)具有优先吸附，分配系数为41.85 L·g-1。此外，Sr-G/M也具有优异的再生性能。考虑到Sr-G/M具有环境友好性、易制备性和良好的选择吸附性，对于从复杂废水系统中选择性吸附Cu(Ⅱ)方面具有很大的应用前景。研究成果以“High efficiency and selective removal of Cu(Ⅱ) via regulating the pore size of graphene oxide/montmorillonite composite aerogel”发表于Journal of Hazardous Materials。
据中科院官网报道，中国科学院青岛生物能源与过程研究所低碳催化转化研究组开发出一种金属离子诱导MXene凝胶化-硫化通用策略，成功制备硫掺杂MXene负载金属硫化物纳米颗粒三维（3D）气凝胶结构催化剂，实现电催化氮还原合成氨活性的极大提升。 在室温常压温和条件下，该材料表现出优异的电化学氮还原反应催化活性，在电位为-0.15 V （vs. RHE）, 实现了12.4 μg·h-1mg-1cat 产氨速率和27.05%法拉第效率。该活性数值超过了大多数已报道的钴基纳米催化剂。此外，该催化剂具有优异的稳定性，经过50小时测试后电化学活性未见明显衰退。该策略具有较强的普适性，可适用于制备三维气凝胶结构催化剂，如FeS@S-MAs、CuS@S-MAs、NiS@S-MAs，且均具有较大的比表面积、3D多孔结构和丰富的界面结构。相比于非气凝胶结构催化剂，也均表现出更加优异的电化学氮还原活性。该研究为合成MXene基3D多孔气凝胶结构纳米材料提供了新策略，为探索在能源催化转化、气体分离和光电催化转化等领域的研究提供了新思路。该研究成果以“A General Strategy toward Metal Sulfide Nanoparticles Confined in a Sulfur-Doped Ti3C2Tx MXene 3D Porous Aerogel for Efficient Ambient N2 Electroreduction”为题发表于Small。
东南大学李全教授、杨洪教授团队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。研究成果以题为“A Liquid Crystal Elastomer-Based Unprecedented Two-Way Shape-Memory Aerogel”发表于Adv Sci。
人体长时间呆在寒冷的环境中，很容易患上静止不动的冻伤、持续疼痛的心血管疾病，甚至死亡，这是由于大量的热量散失造成的。通过储存大量静止空气来减少热量损失的保暖材料在个人防寒方面引起了越来越多的关注。目前，常规的保暖材料可分为天然纤维集合体和合成纤维集合体。 羽绒作为具有代表性的天然保暖材料，由于其高度蓬松的结构，其导热系数相对较低。然而，由于疏水性差，羽绒的保暖性能在高相对湿度（RH）下会迅速降低。东华大学丁彬研究员、俞建勇院士团队报告了一种简单的策略，以制备纳米/微纤维海绵超弹性，坚固的阻燃性和有效的保温性能的直接静电纺丝。通过精确调节相对湿度，构造出低体积密度、高孔隙度的三维蓬松海绵；同时，创新性地引入了具有高极限氧指数(LOI)的机械鲁棒性聚酰胺亚胺纳米纤维，以提高纳米/微纤维海绵的结构稳定性和可燃性。引人注目的是，所开发的纳米/微纤维海绵具有超轻特性(6.9 mg cm-3)、超弹性(100次压缩试验后塑性变形为0%)、有效阻燃性能(LOI为26.2%)、以及良好的保温性能(热导率为24.6 mW m-1 k-1)。这一研究成果为设计超弹性阻燃保温材料提供了理论依据。研究成果以“Superelastic and Fire-Retardant Nano-/Microfibrous Sponges for High-Efficiency Warmth Retention”为题发表于ACS Applied Materials & Interfaces。
