气凝胶领域顶刊最新研究进展汇总
气凝胶是目前已知的世界上最轻的固体材料，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的应用前景，被誉为“改变世界的神奇材料”，是化学领域十大新兴技术之一。
本文汇总了近期发表在各期刊的15项具有代表性的气凝胶相关研究进展，旨为在各个领域的研究和应用提供指导与启示。
1、中科院苏州纳米所《AFM》：超白氮化硼气凝胶高能激光照射防护“Super-White Boron Nitride Aerogel-Enabled High-Energy Laser Irradiation Protection”
气凝胶是一种具有连续三维多孔网络结构的超轻固体材料，其独特的结构赋予其优异的热学、光学及力学等理化性质，能够对外来能量进行有效管理，在超级隔热、高效电磁屏蔽及力学防护等领域受到广泛关注。然而，气凝胶在极端环境下的多能量场耦合冲击（如高能激光）防护方面鲜有报道，且相关气凝胶材料的结构设计理念及合成机制尚不明确。无机气凝胶由于其独特的性质已成为目前最具吸引力的材料之一，在超隔热领域具有广泛的应用前景，但其力热互斥瓶颈难题阻碍了该材料的进一步发展。如何通过单一策略协同增强无机气凝胶的力热性能、实现物理性能指标性突破是目前面临的主要挑战。
中科院苏州纳米所张学同研究员团队通过构筑纳米带状的氮化硼基元，发展得到一种具有轻质、高反射特征的超白氮化硼气凝胶材料：氮化硼基元的二维平面形态具有强的光学背散射效应，可作为光学纳米屏障；大的长宽比利于纳米基元相互交织形成气凝胶三维网络。氮化硼气凝胶的高反射特征可实现对高能激光的有效反射，最大程度减少激光在材料表面热量的沉积。此外，结合氮化硼气凝胶自身低导热、耐高温及力学柔性等特征，可有效降低激光沉积热量的纵向传递，并承受激光衍生的局域高温场所带来的高温损伤及热应力冲击。多种因素协同，保证超白氮化硼气凝胶在高能激光辐照时维持结构完好，并兼具低密度（~0.017 g/cm3）及高激光防护阈值（2.1×104 W/cm2），在高能激光领域表现出优异的防护性能。该工作发表在国际知名期刊Advanced Functional Materials, 2023, 2304355上。文章第一作者是中科院苏州纳米所柴玉山硕士生与李广勇副研究员，通讯作者为张学同研究员。该工作获得了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金及中国博士后科学基金资助。该研究工作为未来轻质气凝胶高能激光防护材料的设计与制备提供新的研究思路。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202304355
2、哈工大《NSR》：化学键合纳米多层无机气凝胶：兼具超柔韧性及真空最低热导率“Chemically bonded multi-nanolayer inorganic aerogel with a record-low thermal conductivity in a vacuum”
哈尔滨工业大学徐翔教授、张传伟教授与东南大学郝梦龙教授通过在石墨烯气凝胶骨架原位沉积无定形氮化硼铠装层，实现了气凝胶力学性能与热学性能的协同增强，有望为极端环境下的超隔热需求提供新的解决方案。相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）。研究者设计并制备了月球基地缩尺模型、搭建装置模拟月球表面昼夜环境，测试该材料在此类应用场景中的隔热性能。并与石墨烯气凝胶、六方氮化硼气凝胶及二氧化硅气凝胶毡进行对比，证明了该材料在极端环境下的优异超隔热性能。
论文链接：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwad129
3、南航《Carbon》：一种环保型壳聚糖衍生VO2/碳气凝胶，用于雷达红外兼容隐身“An environmentally friendly chitosan-derived VO2/carbon aerogel for radar infrared compatible stealth”
随着军事探测技术的发展，只在单一频段工作的隐身材料已无法有效地应对探测武器的干扰。因此，迫切需要开发多功能材料来实现多频段兼容隐身。南京航空航天大学谭淑娟副教授团队在《Carbon》期刊发表论文，研究利用壳聚糖衍生的碳气凝胶作为载入 VO2（VO2/CA）的支架，合成了一种复合多孔气凝胶，该气凝胶具有优异的雷达/红外兼容隐身性能。
在损耗机制传导损耗、偶极子极化和界面极化的作用下，该复合材料在厚度为2.4mm时的最小 RL可达到 -52.0dB，在 1.6mm时的 EAB为5.2GHz，几乎覆盖了整个 Ku 波段。同时，VO2/CA 还具有出色的热隐身特性。就红外隐身而言，在底部加热至 120 °C 180 秒后，样品表面温度仅为 2.6 °C。这项工作为雷达红外隐身兼容材料的研究提供了可行的思路和方案。
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https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118313
4、中南林科大《IJBM》：受木材启发的弹性和导电TOCNF-rGO气凝胶，用于可穿戴压力传感器和超级电容器“Wood-inspired elastic and conductive cellulose aerogel with anisotropic tubular and multilayered structure for wearable pressure sensors and supercapacitors”
纤维素纳米纤维（CNF）气凝胶作为压力传感器和柔性电化学储能器，在可穿戴设备中具有相当大的潜力。然而，CNF的非定向组装导致其机械性能较差，从而限制了其在结构工程中的应用。中南林业科技大学Yan Qing、吴义强教授在《INT J BIOL MACROMOL》期刊发表论文，研究提出受天然木材微纳米结构的启发，提出了一种兼具弹性和导电性能的各向异性气凝胶。
一维TEMPO纤维素纳米纤维 (TOCNF) 被用作结构构件，而二维还原氧化石墨烯 (rGO) 则因其高机械强度而被用作电子传输平台。通过快速单向冷冻和随后的蒸汽加热还原，形成了由多层薄片组成的定向排列管状结构。这些结构在整个多孔骨架中有效地传递了应力，使TOCNF-rGO气凝胶具有很高的可压缩性和出色的抗疲劳性（60%应变下2000次循环）。该气凝胶还表现出高灵敏度、宽检测范围、相对快速的响应和优异的压缩循环稳定性，适用于准确检测各种人类生物和运动信号。此外，TOCNF-rGO可以组装成柔性的全固态对称超级电容器，具有优异的电化学性能。预计这种生物质衍生的气凝胶将成为用于能量转换和存储的柔性电子设备的通用材料，在医疗健康检测和可穿戴电子学方面具有潜在的应用前景。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.126197
5、北科大&中冶建研院《CJE》：面向溢油污染治理的SiO2气凝胶疏水改性的研究进展“Research progress of hydrophobic modification of silica aerogel for oil spill pollution treatment”
石油开采、加工和运输过程中的石油泄漏污染严重危害了人类和生态系统的健康，亟需开发一种成本低、疏水性好、吸附能力强、可循环使用的新型吸油材料。SiO2气凝胶（SA）是由纳米粒子相互堆积组成的一种高孔隙率、低密度、高比表面积、低热导率的三维网状多孔材料。这些特性使其在航空航天（切伦科夫探测器辐射器）、隔热、吸附（重金属离子、油和有机液体等）、催化剂载体等领域有广阔的应用前景。然而，传统溶胶–凝胶法制备的SA表面亲水，不适用于从水和油混合物中吸附油。
经过疏水改性后的SA（HSA）除了具有密度低、比表面积大、孔隙率高等特点外，还具有独特的憎水/亲油性，非常适用于吸油材料，近年来成为吸油材料方面研究的热点。HSA的制备方法主要有表面后处理法、共前驱体法以及气相氧化法，其中常用的是表面后处理法和共前驱体法。
本文主要围绕表面后处理法和共前驱体法，介绍了两种方法结合超临界干燥和常压干燥制备HSA的研究进展，对比总结了它们的优缺点。此外，还介绍了目前HSA作为吸油材料的吸油机理、吸油性能、混合油的吸附及吸油循环使用性能（再生性），并对HSA吸油材料朝着开发低成本且环境友好的原料、开发周期短的疏水改性流程、制备大块体HSA、提高HSA的机械性能以及提高其吸油性能等发展方向进行了展望。
论文链接：
http://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2022.05.03.002
6、北化工《ACS SCE》：高质量各向异性石墨烯气凝胶及其导热相变复合材料，用于高效太阳能-热-电能转换“High-Quality Anisotropic Graphene Aerogels and Their Thermally Conductive Phase Change Composites for Efficient Solar–Thermal–Electrical Energy Conversion”
具有高焓值的有机相变材料（PCM）是理想的储热和放热材料，有望促进热能利用，缓解能源短缺问题。然而，普通有机相变材料固有的吸光性差、导热性差、形状稳定性弱等缺点严重制约了太阳能的吸收、转化和利用。北京化工大学李晓锋教授、于中振教授团队在《ACS Sustainable Chem. Eng.》期刊发表论文，研究通过在 2800 °C 下进行单向冷冻、冻干、碳化和石墨化，首次设计出了由预氧化聚丙烯腈（OPAN）/氧化石墨烯（GO）成分制成的高质量各向异性石墨烯气凝胶。
GO成分能有效地诱导OPAN成分的取向和石墨化，并在石墨化过程中将其转化为石墨碳。在用石蜡进行真空辅助浸渍后，得到了一种最佳的导热相变复合材料（PCC），在石墨烯含量为1.07 Vol%的低水平下，其通面导热系数提高到了4.36Wm-1K-1，形状稳定性得到改善，潜热保持率高达99.7%。得益于出色的光吸收和太阳-热转换能力，PCC在太阳-热-电能量转换应用中非常高效，在5kWm-2 的模拟太阳光照射下，输出电压高达1181mV。通过释放存储在PCC中的热能，即使在太阳光停止照射后，它也可以继续为LED灯供电。这项工作为制造具有高潜热保持率的导热PCC提供了一种可行而有效的方法，用于高效的太阳能-热能-电能转换。这项研究表明，太阳能-热能相变复合材料在收集和利用太阳能方面具有广阔的潜力，有利于缓解化石能源短缺和太阳能供需不匹配的问题。
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https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.3c02154
7、厦门大学《JMCA》：具有可逆可调热阻的石墨烯气凝胶，用于电池热管理“Graphene aerogel with reversibly tunable thermal resistance for battery thermal management”
极端温度条件下电子设备的热管理非常重要。具有低热阻的碳基材料有利于冷却电子设备，而具有高热阻的气凝胶则起到隔热作用。然而，使用相同的材料实现热传导和隔热是一项重大挑战。厦门大学张学骜 教授、蔡伟伟 教授、张宇锋 副教授在《J. Mater. Chem. A》期刊发表论文，研究采用溶剂热法合成了石墨烯气凝胶，高温退火降低了石墨烯气凝胶的热阻。具有可调热阻的弹性石墨烯气凝胶使其具有隔热和导热的双重功能成为可能。80%压缩应变的石墨烯气凝胶的热阻比原始状态低3.3倍。在锂离子电池（LIB）的热管理过程中，原始的石墨烯气凝胶就像一个热绝缘体，在环境温度较低（-20°C）时防止LIB的热量损失，从而使温度提高9°C，并使LIB的放电容量提高26%。相反，当工作温度较高（40°C）时，具有低热阻的压缩石墨烯气凝胶充当热界面材料，将 LIB 的过多热量散发出去，防止过热。热阻可调的弹性石墨烯气凝胶使其具有隔热和导热双重功能成为可能。研究结果为LIB和其他工作在宽温度范围环境中的设备设计自适应热管理系统提供了一种新颖的解决方案。
论文链接：
https://doi.org/10.1039/D3TA03190J
8、中航发&中科院化学所《JMCC》: 3D 打印气凝胶图案与结构的新突破“Freely-shapable fabrication of aerogel patterns and 3D architectures by freeze-assisted transfer printing”
利用石墨烯、碳纳米管、MXenes 等纳米功能材料作为组装单元来构筑三维的气凝胶，不仅具有低密度、高比表面积、高弹性、高孔隙率和隔热性能的气凝胶结构特点，还兼具石墨烯等材料优异的物理化学性质，包括良好的导电与导热性以及优异机械强度，并且能够与其它功能性的分子或单元通过物理化学作用进行复合改性。这些特点使其在吸能、隔热、污染物吸附、催化载体、柔性传感器、储能电极材料、电磁屏蔽等众多领域具有广阔的应用前景。中国航发北京航空材料研究院李文博与中科院化学所苏萌团队合作提出了一种冷冻辅助转印策略来实现图案化气凝胶阵列的高效组装以及复杂三维气凝胶结构的自由成型。
相比于常规印刷技术中需要使用精心设计的墨水以满足印刷适性要求，在该项研究中突破了墨水材料的限制，印刷的对象由液态的墨水替换成了固态的“冰块”，通过研究印版、“冰块”和基底三者之间的粘附力竞争关系，解决了印刷的成型控制问题。微型的“冰块”阵列通过单次印刷，再经过冷冻干燥过程，即可获得大面积的气凝胶微阵列。采用特定图案设计的“冰块”进行多次转印，则能够将平面的几何图形组装成为多样化的立体构型，并获得任意结构的三维气凝胶，包括常规3D打印难以实现的大跨度悬空结构。
该策略还具有广泛的材料兼容性，实验中验证了宽浓度范围的氧化石墨烯，以及多种纳米复合材料与生物高分子等胶体材料体系。通过材料间的组合及分层制造，可制备出新型的具有梯度结构或异质结构的气凝胶三维结构。采用多层印刷制备的具有密度梯度的气凝胶三维结构用于柔性传感，能够同时满足微小形变和大应变条件下的高灵敏压力检测。通过多材料功能集成设计制备了一种拉胀结构的气凝胶图案，展示了其在磁场操控可拉伸电子中的应用特性。这项关于冷冻辅助转移印刷技术的研究为功能性气凝胶材料的成型制备及应用拓展提供了新的见解。
论文链接：
https://doi.org/10.1039/D3TC01121F
9、福州大学《JCIS》：PVA/石墨烯/LDH混合气凝胶，具有轻质、防火、抗压等性能“A Facile Strategy for Constructing Lightweight, Fire Safety and Compression Resistance Poly(vinylalcohol) Aerogels with Highly-efficient Expansible Graphene Oxide/Layered Double Hydroxides Hybrid Synergistic Flame Retardant”
聚乙烯醇（PVA）气凝胶具有优异的环保性能，一直被认为可以取代不可降解的聚合物泡沫。然而，由于高易燃性、亲水性和较差的抗压性能，PVA气凝胶一直被排除在实用之外。福州大学郑玉婴 教授、施永乾等研究人员在《J COLLOID INTERF SCI》期刊发表论文，研究通过冷冻干燥法和静电吸附阻燃剂法制备了具有防火安全性和耐压性能的PVA/可膨胀氧化石墨烯（EGO）/层状双氢氧化物（LDHs）（PGL）气凝胶。
本研究采用冷冻干燥工艺制备了轻质PVA/EGO/LDHs气凝胶。在这里，由于EGO片材与PVA基体之间的化学反应，LDHs片材很容易通过形成氢键来固定孔隙结构，从而使抗压强度迅速提高。PVA气凝胶可燃性的降低归因于EGO和LDHs片材在燃烧过程中的阻隔效应、炭化效应和热吸附能力。此外，吸附LDHs后，由于LDHs堵塞了大部分开孔通道，气凝胶的毛细管通透性得到改善，从而促进了PVA气凝胶在长期使用过程中的疏水性能。EGO的加入不仅促进了优异的炭化效果，而且为其他阳离子阻燃剂的静电吸附提供了位点，为进一步提高气凝胶优异的热稳定性、阻燃性和抗压性提供了光源。
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https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.07.028
10、东华大学《Carbon》：焦耳加热碳纳米纤维气凝胶负载催化剂，用于甲醇蒸汽重整制氢“A Joule-heated carbon nanofiber aerogel-supported catalyst for hydrogen production via methanol steam reforming”
在甲醇蒸汽转化（MSR）工艺中，含铜（Cu）催化剂因其来源丰富、成本低廉、低温活性高而备受青睐。在运行过程中，含铜催化剂通常由外部热源加热，而且最常用的是宏观粉末状催化剂，这就导致了温度分布不均匀、传质/传热不均匀、加热速度慢以及更换困难等问题。因此，在设计用于 MSR 反应的特定催化剂时必须解决这些问题。东华大学俞彬博士、黄涛 副教授、Tao Huang等研究人员在《Carbon》期刊发表论文，研究采用简便的一锅法制备了一种三维焦耳加热碳纳米纤维气凝胶（CNFA）支撑催化剂（Cu/CNFA-op10），并进行了催化评估。
研究发现，均匀的温度分布、有效的热量/质量/电子传导以及均匀分布的Cu纳米颗粒是该催化剂具有优异催化活性的原因。此外，还发现 CNFA 支持的催化剂失活是由 Cu0/+ 纳米颗粒的聚集和烧结、活性位点表面无定形碳的沉积以及活性颗粒的化学态转变造成的。在这次概念验证中，焦耳加热驱动催化剂的高催化活性为进一步设计和制造与 MSR 反应相关的三维整体催化剂提供了一种新策略。
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https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118311
11、新加坡国立大学《ACS NANO》：通过共混纺辅助冷冻铸造的可定制弹性多功能石墨烯气凝胶“Customizable Resilient Multifunctional Graphene Aerogels via Blend-spinning assisted Freeze Casting”
石墨烯气凝胶因其独特的物理特性而备受关注，但其较差的机械特性和功能性的缺乏阻碍了其先进应用。新加坡国立大学Yong Yang、Wei Zhai等研究人员在《 ACS Nano》期刊发表论文，研究提出了一种混合-纺丝辅助冷冻铸造（BSFC）策略，将颗粒改性碳纤维加入石墨烯气凝胶中，以实现机械强化和功能增强。这种方法为创造可定制的多材料、多尺度结构石墨烯气凝胶提供了极大的自由度。例如，我们制造了碳化硅颗粒改性碳纤维增强石墨烯（SiC/CF-GA）气凝胶。所制备的气凝胶具有超轻、高弹性、抗疲劳压缩（50%应变下1000次循环）等优异性能。
同时，增强的弹性激发了 SiC/CF-GA 气凝胶的有效应变传感能力，其灵敏度高达13.8 kPa-1。由于加入了碳化硅颗粒，气凝胶的介电性能可调，因此具有宽带（8.0 GHz）有效电磁波衰减性能。此外，还可以通过 BSFC 策略在石墨烯气凝胶中加入不同的颗粒，从而实现可定制的设计。此外，改性气凝胶还具有多功能性，包括吸音、隔热、防火和防水，进一步丰富了其实用性。因此，BSFC 策略为制造改性石墨烯气凝胶的先进功能应用提供了定制解决方案。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c02491
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https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144966
13、南京工业大学《JWPE》：一种受贻贝启发的新型层状蒙脱土基复合气凝胶，用于高效去除重金属离子“A novel mussel-inspired layered montmorillonite-based composite aerogel for high-efficiency removal of heavy metal ions”
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https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2023.104075
14、重庆交通大学《CEJ》：高度可压缩、重量轻且坚固的氮掺杂石墨烯复合气凝胶，用于灵敏的压力传感器“Highly Compressible, Light-Weight and robust Nitrogen-Doped graphene composite aerogel for sensitive pressure sensors”
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144790
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.110809
