气凝胶近期顶刊研发成果汇总（下）
气凝胶是目前已知的最轻的固体材料，因其具有纳米多孔结构、低密度、低介电常数、低导热系数等特点，在航天、军事、交通、通讯、医用、建材、电力、冶金等众多领域有着广泛而巨大的应用前景，被称为“改变世界的神奇材料”，是化学领域十大新兴技术之一。
本文整理了近期各期刊发表的10项有代表性的气凝胶相关研发成果。
1、南工大《Talanta》：丰富孔道结构Zn2Ti3O8气凝胶的制备及其高效光催化降解抗生素机制研究“Fabrication of Flexible AuNPs@ polyimide heating chips for in situ explosives SERS sensing in nature samples”
近年，爆炸物、污染物、毒品、农药和生化物的分析和检测是公共安全、环境污染和人类健康方面迫切需要的。实际样品的目标分子是复杂的混合物，通常分散在各种相中，如固体或水溶液中。特别是对于复杂环境中的痕量化学物质，目标分析物的高效、实时原位检测仍然是面临的一个难题。典型的例子是包括2，4，6 -三硝基甲苯( TNT )在内的多种爆炸物的痕量检测。作为最重要的军用高能材料之一，TNT的大规模使用导致其在土壤、水环境和其他生态系统中的残留。此外，TNT的低饱和压力使其容易迁移并污染衣服和食物，对人类健康和环境构成威胁。TNT具有极强的危险性和毒性，已被美国环境保护局( EPA )列为潜在致癌物和优先防控物质。总体而言，发展一种高效、灵敏、原位检测复杂环境体系中爆炸物的方法具有重要意义和挑战性。大量的工作致力于设计和制备各种SERS基底，从混合体系中高效地收集样品，实现原位检测。当炸药残留在土壤、工作人员衣服等复杂环境中时，目前报道的柔性基底仍然无法获得有效的样品采集和分析。更加突出的柔性基底仍有待开发，并应用于复杂环境体系的现场检测。
南京工业大学崔升教授团队制备了一种新型原位加热富集的SERS芯片，并详细研究了AuNPs阵列的微观结构、SERS性能以及均匀稳定性。以4-ATP为捕捉分子，AgNPs为信号放大器，结合TNT形成“三明治”结构进行TNT的检测机理研究。通过原位加热策略，实现对目标分子的气体检测。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.talanta.2023.124460
2、北科大《AM》：用于快速存储波动能量的碳气凝胶轻质铝电池“Carbon Aerogel Lightweight Al Battery for Fast Storage of Fluctuating Energy”
铝电池具有成本低、容量大、安全等优点，具有很大的可再生能源存储潜力。高能量密度和对波动电力的适应性是主要的挑战。北京科技大学-焦树强&王明涌 教授等人在Advanced Materials上发表重要文章，基于一种新型分层多孔无枝晶碳气凝胶膜(CAF)负极和集成石墨复合碳气凝胶膜(GCAF)正极，构建了一种用于快速存储波动能量的轻质铝电池。证实了含氧官能团在CAF负极上诱导铝均匀沉积的新机制。由于石墨材料的负载质量(9.5 ~ 10.0 mg cm-2)极高，与传统的涂层正极相比，GCAF正极具有更高的质量利用率。同时，GCAF正极的体积膨胀几乎可以忽略不计，从而获得了更好的循环稳定性。轻质的CAF‖GCAF全电池由于其层次化多孔结构，可以很好地适应大电流密度和波动电流密度。在高电流密度下，2000次循环后同时获得大放电容量(115.6 mAh g-1)和短充电时间(7.0 min)。基于碳气凝胶电极的轻量化铝电池的构建策略将推动适应波动可再生能源快速存储的高能量密度铝电池的突破。该研究有望促进具有快速存储波动可再生能源的高能量密度铝电池的发展。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202303943
3、山东大学《Carbon》：多功能纤维素纳米纤维辅助制备超轻、可扩展碳纳米管气凝胶，用于航空航天领域等“Versatile cellulose nanofibril assisted preparation of ultralight, scalable carbon nanotube aerogel-based electromagnetic wave absorbers with ultrahigh reflection loss”
山东大学刘久荣/曾志辉教授、中国科学院纳米科学与技术国家中心Feng Gao等研究人员在《Carbon》期刊发表论文，可持续纤维素纳米纤维（CNF）被有效利用，促进了超轻、高孔隙率碳纳米管（CNT）杂化气凝胶基电磁波（EMW）吸收体的制备。CNF不仅作为绿色表面活性剂避免CNT的聚集，还作为支撑基质或粘合剂促进多孔CNT基气凝胶的构建。
此外，CNF前驱体有助于产生用于高效介电调制器的CNF衍生纳米碳（CNFC），从而实现可调谐的电磁参数和良好的阻抗匹配。结合CNFC的损耗能力，增强了CNT基气凝胶的EMW吸收性能。因此，混合气凝胶表现出EMW吸收性能，有效吸收带宽为3.3 GHz，在76 wt%的填充比下具有−46.5 dB的超高反射损耗，优于其他基于CNT的EMW吸收体。详细分析了多种EMW吸收机制对杂化气凝胶的协同效应，证明了CNF或CNFC在构建高效碳纳米管基EMW吸收器中不可或缺的作用。结合绿色、可持续、方便和可扩展的制备方法，基于碳气凝胶的EMW吸收剂在电磁兼容性或保护和航空航天领域的应用非常有前途。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118277
4、西工大《CEJ》：珊瑚状Co/CoO/石墨烯混合气凝胶的高效电磁波吸收，具有良好的疏水性和隔热性“High-efficient electromagnetic wave absorption of coral-like Co/CoO/RGO hybrid aerogels with good hydrophobic and thermal insulation properties”
为了解决日益严重的电磁辐射问题，迫切需要探索有效的电磁波吸收器。西北工业大学赵廷凯教授团队在《 Chem. Eng. J. 》期刊发表论文，研究通过冷冻干燥-热还原策略合成了一系列珊瑚状的Co/CoO纳米颗粒/还原氧化石墨烯（Co/CoO/RGO）混合气凝胶。它们的优点涉及多孔互连框架、丰富的异构界面以及介电/磁性单元的集成，可以带来多种损耗模式。通过操纵Co(CO3)0.5(OH)-0.11H2O(CCOH)的添加量和还原温度，可以调整电磁参数，最终获得最佳吸收能力，最大反射损耗为-32.4dB，有效带宽为4.2GHz。
更重要的是，除了高电磁波损耗外，Co/CoO/RGO混合气凝胶还表现出良好的疏水性和隔热性能，使其适合应用于恶劣环境。此外，特殊的结构和多种成分导致气凝胶中出现多个异质界面，由此产生的界面极化被认为是造成电磁波损耗的原因。在此，我们采用基于第一原理的密度泛函理论（DFT）模拟，从理论层面验证界面极化的贡献。根据仿真结果，在构成异质界面的不同相之间，费米级附近的电子占位状态有明显的不同，并且在这些界面上有明显的电荷积累，成功地肯定了不同界面上的界面极化行为。通过调节Co/CoO添加量和热还原温度，可以极大地促进电磁波吸收性能。
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https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144535
5、中科院宁波材料所 《Small》：在Janus气凝胶实现季节适应性热管理温度调节方面取得新进展“Designing free-standing 3D lamellar/pillared RGO/CNTs aerogels with ultra-high conductivity and compressive strength for elastic energy devices”
辐射调节被认为是一种直接、高效、有前途的方式，通过吸收输入的阳光调节内部环境温度，进而实现节能。合理设计和制造热调节材料至关重要，它可以通过可调节的物理或化学结构显著提高冷却或加热性能。但是在材料稳定性和季节适应性温度调节方面仍有不足。基于此，中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料团队陈涛研究员、肖鹏副研究员通过免冻干的方法，设计了由光热MXene-CNF层和CNF层组成的Janus结构气凝胶（JMNA），该气凝胶能够实现可切换的热调节，将被动辐射冷却和加热集成到一个材料系统中，以适应多变的环境。
基于良好的机械性能，Janus气凝胶可用作季节适应性辐射热调节的智能屋顶。当CNF层暴露于外部环境时，外层高反射率和内层低红外发射率的结合使得夏季能够有效地进行被动辐射冷却。为了应对寒冷的冬季，MXene-CNF层可被用作外层，有效将阳光转化为可观的热能。产生的热量可以通过CNF层高红外发射率进一步传递到内部环境，从而产生显著的被动辐射加热。Janus结构气凝胶简单的制造方法和合理设计为开发可扩展的气候适应性热调节材料提供了一条替代途径。
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https://doi.org/10.1002/smll.202302509
6、青岛大学《JAPS》：环氧树脂增强的石墨烯碳纳米管复合气凝胶，提高了聚苯乙烯复合材料的力学性能“The mechanical properties of polystyrene composites were improved by designing large-size 3D GO/CNTs hybrid aerogel reinforced by epoxy resin”
长期以来，碳纳米材料在聚合物中的分散一直是一个挑战。青岛大学李晓茹副教授团队在《J. Appl. Polym. Sci》期刊发表论文，研究以稳定的三维互联网络为增强骨架，制备了大规模环氧树脂增强GO/CNT气凝胶（GECA）。然后，通过在互连的GECA中原位聚合苯乙烯，制造了GECA/聚苯乙烯（GECA/PS）纳米复合材料。
本文综述了一种大尺寸气凝胶增强聚苯乙烯纳米复合材料的制备方法。该方法易于制造，可靠，成本低且环保。研究了环氧树脂增强石墨烯碳纳米管复合气凝胶和环氧树脂用量对气凝胶形貌的影响。讨论了复合材料的破坏机理。力学性能测试表明，当GO和CNTs与环氧树脂的比例为1：1时，GECA-1/PS纳米复合材料的拉伸、弯曲、压缩和冲击强度分别比PS高113.0%、76.1%、147.5%和99.5%。弹性模量、弯曲模量和压缩模量分别提高了59.05%、95.91%和87.52%。因此，该方法为大规模、低成本制备多功能集成复合材料提供了新的思路。
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https://doi.org/10.1002/app.54284
7、北航《Carbon》：碳纳米管/石墨烯纳米带混合气凝胶，具有优异的电磁波吸收和焦耳热特性“Assembly of partially unzipped multiwalled carbon nanotubes into ultralight, highly efficient and multifunctional electromagnetic wave absorbing aerogel”
具有轻量化和多功能集成应用的高效电磁波吸收材料具有广阔的发展应用前景。碳质材料因其密度低、导电性高、结构多样、成分可调等特点，是有前途的候选材料之一。北京航空航天大学刘晓芳副教授团队在《Carbon》期刊发表论文，研究通过组装和退火部分解压缩的碳纳米管制备了氮掺杂石墨烯纳米带/碳纳米管（N-GNR/CNT）杂化气凝胶。
剩余的碳纳米管作为骨架来维持GNR展开，而展开的GNR则作为“翅膀”来互连并形成3D网络。3D网络为快速电子传输提供了通道，同时GNR为N掺杂提供了丰富的边缘。得益于碳纳米管和GNRs的协同作用，该气凝胶表现出超轻、超薄、强电磁波吸收和高效焦耳热的特点。本研究提出了制备多功能电磁波吸收材料的新策略，拓宽了石墨烯纳米带的应用。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118220
8、昆明理工大学《ACS AMI》：基于石墨烯/蚕丝的各向异性独立气凝胶，用于压力传感和高效吸附“Anisotropic Free-Standing Aerogels Based on Graphene/Silk for Pressure Sensing and Efficient Adsorption”
可压缩、导电、超轻和超疏水的石墨烯气凝胶（GA）在可穿戴电子和吸附应用中很有前景。然而，传感性能不理想和缺乏多尺度结构调控仍然阻碍着多功能GA的发展。昆明理工大学蔡金明教授团队在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表论文，研究报道了一种基于石墨烯/丝的多功能气凝胶——通过碱诱导的水热自组装策略建立了高度有序的三维还原氧化石墨烯（rGO）导电网络，而丝素蛋白（SF）通过静电相互作用与氧化石墨烯（GO）结合均匀分布在整个网络中。超轻rGO/SF气凝胶（GSA）具有电阻随压缩而变化的特性，因此可用于柔性压力传感器。
基于GSA的传感器可以检测低至0.35 kPa的压缩应力，响应时间为0.55 s，恢复时间为0.58 s。它在0.5至30 kPa之间具有良好的线性响应，灵敏度分别为0.54 kPa–1（0.5–4 kPa）和0.21 kPa–1。基于GSA的传感器也具有出色的耐用性，在12000次循环后保持稳定。作为概念验证，展示了它在健康监测、语音识别和运动捕捉方面的应用。此外，具有超疏水性的碳化rGO/SF气凝胶（C-GSAs）可以吸附各种有机物质（146.7–278.8 g/g）并实现油水分离。因此，一方面，GSA通过广泛的相关应用被确认为各种压力传感设备的理想候选者；另一方面，我们的研究为溢油清理和有机污染物废水处理提供了有前途的材料。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-38664-6
9、昆明理工大学《Rare Met》：多功能硫固定化石墨烯/MXene气凝胶，用于高稳定性和长循环寿命锂硫电池“Multifunctional sulfur-immobilizing GO/MXene aerogels for highly-stable and long-cycle-life lithium–sulfur batteries”
锂硫电池由于其较高的理论能量密度，是下一代能源存储的一个有希望的候选者。然而，S绝缘和多硫化锂中间物的穿梭效应大大阻碍了它的实际应用。
昆明理工大学Xue Li、Yi-Yong Zhang、Ying-Jie Zhang等研究人员在《Rare Metals》期刊发表论文，研究设计了一种三维多孔氧化石墨烯（GO）/MXene（Ti3C2Tx）（GM）气凝胶，并将其应用于锂硫电池以解决上述问题。在这一策略中，二维（2D）GO片和高导电性MXene纳米片被整合成三维多孔气凝胶结构，形成三维导电网络和大的极性表面，可以同时实现快速的锂离子/电子传输，强化学锚定硫，并促进多硫化物之间的氧化还原反应。因此，该阴极显示出良好的硫磺利用率和循环稳定性。所制备的GM电极电池在0.1C条件下测试了近9个月，提供了1255.62 mAh-g-1的高初始容量，并在450次循环后保持615.7 mAh-g-1。本工作阐述了一种新型的具有多功能催化吸附的高效锂硫电池独立凝胶材料，为开发高性能锂硫电池提供了新的方向。
论文链接：
https://doi.org/10.1007/s12598-023-02272-6
10、南京林业大学《 Nano Energy》：一种具有仿生超结构表面的纳米纤维素气凝胶用于长效辐射制冷“Bioinspired “aerogel grating” with metasurfaces for durable daytime radiative cooling for year-round energy savings”
传统的制冷系统通常会消耗大量的能量并排放二氧化碳温室气体，对地球环境和人类生存造成较大的负担。辐射制冷是一种被动制冷方式，其主要是利用地球与外太空之间的大气透明窗口（波长8–13 μm），将地球表面的热量以热辐射的形式发射到外太空。木质纤维素由于其独特的化学结构，在日间辐射制冷领域受到了一定的关注。但是，传统的纤维素基日间辐射制冷材料存在太阳光反射率不高和户外长时间使用性差等问题，限制了其进一步的发展。
南京林业大学蔡晨阳、付宇教授和德国哥廷根大学张凯教授在《Nano Energy》上发表论文，通过向大自然学习，采用仿生构建的思路，以纳米纤维素晶为原料，发展了二元“限域”定向冷冻干燥新技术以构建一种具有表面超结构的辐射制冷气凝胶材料，优化了其太阳光反射率、热导率、红外发射率以及环境稳定性，最终实现长效稳定的日间辐射制冷功效。热能模拟计算表明在世界18个地区采用该气凝胶铺设房屋屋顶，可以实现全年制冷节能约47%的效果。该工作为制备高性能长效使用的绿色降温材料提供了一种可行的思路。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108625
