气凝胶近期顶刊研发成果汇总（上）
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、四川大学《Carbon》：超轻、坚固单向纤维素纳米纤维/碳纳米管气凝胶，用于高效的微波吸收"Ambient-drying to construct unidirectional cellulose nanofibers/ carbon nanotubes aerogel with ultra-lightweight, robust, and superior microwave absorption performance"
具有轻质宽有效吸收带、优异机械性能和能够大规模制备的微波吸收材料（MAMs）是处理微波污染的理想材料，但在一种材料上同时实现这些性能仍然是一个挑战。四川大学王延青课题组在《Carbon》期刊发表论文，研究报道了一种由纤维素纳米纤维（CNF）和碳纳米管（CNT）制备高性能微波吸收气凝胶的常温干燥和非化学交联方式。通过单向循环冻融交联CNF和CNT可以构建具有优异力学性能的各向异性气凝胶孔壁。在此过程中，利用CNF和CNT的单分散，构建了一种可持续的仿生双网络互穿策略，从而能够创建疏水/亲水纳米纤维的混合双网络。在冷冻铸造的基础上，开发了一种常温干燥和非化学交联工艺制备具有各向异性结构的CNF/CNT气凝胶材料，克服了传统干燥工艺的局限性和极端条件。本工作为制备具有轻质、稳健和优越微波吸收性能的各向异性气凝胶提供了一种节能和大规模的生产策略。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118150
2、哈工大《Carbon》：Ni/C复合气凝胶，具有优异的疏水性和隔热性“Topological MOFs deformation for the direct preparation of electromagnetic functionalized Ni/C aerogels with good hydrophobicity and thermal insulation”
磁性碳基气凝胶是目前高性能电磁波吸收材料（EWAMs）的一种新兴候选材料，因为其独特的结构优势为电磁波的传播和衰减奠定了良好的基础。然而，传统的磁性碳基气凝胶后处理方法往往在保持气凝胶结构、调节磁性成分含量和分散磁性颗粒方面面临困难。哈尔滨工业大学杜耘辰和韩喜江教授课题组在《Carbon》期刊发表论文，研究首先诱导大块Ni-MOF颗粒的拓扑变形，生成由交联纤维组装的Ni-MOF气凝胶，然后通过可控的高温热解将该中间气凝胶转化为最终的Ni / C复合气凝胶（NCCAs）。这种新策略实现了磁性金属纳米颗粒在整个碳骨架中的高负载和均匀分散。与各种Ni/C复合材料相比，气凝胶结构和MOFs转化的综合优势不仅使NCCA-2成为高性能EWAMs的一个极具竞争力的候选材料，而且还赋予了它优异的疏水和隔热性能。本文展示了一种通过拓扑MOFs变形和随后的高温热解来生产Ni / C复合气凝胶（NCCA）的新方法。最终的NCCAs保留了高孔隙率的气凝胶结构，实现了Ni纳米颗粒的高含量和均匀分散。结果表明，NCCA是一种很有前景的多功能电磁波吸收材料（EWAMs），该策略融合了气凝胶结构和MOFs转化的优点，可能为未来高性能EMWAMs的设计和制造提供启发。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118132
3、国科大《Carbon》：新方法！简单且低成本的单原子掺杂合成碳气凝胶“Ultralow thermal conductivity of single-atom doped carbon aerogel synthesized with a facile ambient-pressure-drying strategy”
碳气凝胶由于其多孔性和高温下的高稳定性，是一种有吸引力的保温材料。然而，由于复杂的超临界干燥技术和纯碳骨架的高导热性，阻碍了碳气凝胶在保温方面的广泛应用。国防科技大学冯军宗、湖南大学秦光照教授等在《Carbon》期刊发表论文，研究开发了一种简便的常压干燥技术，通过催化单体在铁溶胶下的聚合反应来合成Fe-N4掺杂的碳气凝胶，以共聚物F127作为湿水凝胶的增强相。
整个过程没有任何溶剂交换或老化过程。所制备的碳气凝胶在室温下具有0.048 W/(m ∙ K)的超低热导率，在常压干燥过程中可忽略2%的收缩率，并且在10%的应变下具有0.58 MPa的优良机械行为。碳纤维增强碳气凝胶的导热性在1100℃时为0.158 W/(m ∙ K)，弹性模量为108.3 MPa。基于理想模型，密度泛函理论计算显示，掺入Fe-N4可以显著提高碳基材料的非谐波性，从而使晶格热导率降低10倍以上。这项工作提出了一种简便和低成本的方法来合成具有单原子掺杂的碳气凝胶，在隔热方面有很好的应用前景。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118167
4、西安交大《ACS AMI》：多级SiC-石墨烯复合气凝胶负载Ni–Mo–S纳米片，用于高效pH通用电催化析氢“Hierarchical SiC–Graphene Composite Aerogel-Supported Ni–Mo–S Nanosheets for Efficient pH-Universal Electrocatalytic Hydrogen Evolution”
MoS2在电催化氢气进化方面表现出良好的前景。然而，MoS2的电催化性能受到其活性位点不足、低电导率和缓慢的水解过程的限制。西安交通大学在《ACS Appl. Mater. Interfaces 》期刊发表论文，研究采用CVD法在石墨烯气凝胶（RGO）中生长SiC纳米线（SiCnw），构建了由碳化硅（SiC）和石墨烯（SiCnw-RGO）组成的气凝胶，然后在SiCnw-RGO复合气凝胶上水热合成了Ni–Mo–S纳米片，开发了一种高效的pH通用电催化剂。
通过Ni-Mo-S纳米片支撑在SiCnw-RGO复合气凝胶上，成功开发了一种高效的pH值通用电催化剂。SiCnw-RGO复合气凝胶的分层结构、RGO的高导电性和SiC的加速水解过程可以协同提高电催化活性并暴露Ni-Mo-S纳米片的催化位点。Ni-Mo-S@SiCnw-RGO电催化剂表现出优异的催化性能，在酸性条件下具有60 mV/dec的低Tafel斜率，在碱性条件下具有90 mV/dec。DFT计算表明，该复合催化剂表现出有利的氢气吸附自由能和水解离能量障碍。这项研究为设计基于MoS2的分层电催化剂以实现高效的pH值通用氢气进化开辟了一条创造性的途径，并为在HER中大规模生产基于MoS2的电催化表现出巨大潜力，为设计高效多级气凝胶电催化剂提供了参考。
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https://doi.org/10.1021/acsami.3c02802
5、同济大学《JMCA》：3D层状/柱状RGO/CNT气凝胶，用于高性能可压缩电子产品“Designing free-standing 3D lamellar/pillared RGO/CNTs aerogels with ultra-high conductivity and compressive strength for elastic energy devices”
机械可压缩能源装置是为柔性和便携式电子产品供电的最有希望的候选者之一，但在高压缩应变下，它们的性能稳定性通常有限。同济大学陈涛教授团队在《J. Mater. Chem. A》期刊发表论文，研究展示了一种具有高导电性和抗压强度的还原氧化石墨烯/碳纳米管（RGO/CNTs）复合气凝胶，用于高性能的弹性能量转换和存储设备。
通过简单的溶液方法将碳纳米管生长催化剂负载在RGO气凝胶中，然后通过化学气相沉积法在RGO层之间直接生长高度排列的碳纳米管阵列。层状RGO层之间的柱状CNT阵列为RGO/CNTs气凝胶提供了极高的电导率（214.7 S m−1）和抗压强度（73.6 kPa），优于先前报告的大多数结果。使用RGO/CNTs衍生的复合气凝胶作为电极， 得到的超级电容器不仅表现出高比电容（215.5 mF cm−3），但即使在 15 000 次重复压缩循环后，也表现出出色的压缩稳定性而不会降低性能。此外，基于RGO/CNTs衍生气凝胶的压电纳米发电机可以提供稳定的0.6 V压电电压和优异的稳定性。可以作为一个高效的平台，加载其他功能材料，用于其他具有高性能的弹性电子产品。
论文链接：
https://doi.org/10.1039/D3TA01531A
6、烟台大学《ACS AMI》：受树木启发制备三维CS-石墨烯/PPy复合气凝胶，可实现高效的太阳能水净化“Tree-Inspired Aerogel with a Radial and Centrosymmetric Structure for Efficient Solar-Powered Water Purification”
在自然界中，树木蒸腾作用是一个高效的过程，其中水通过树干和树枝内排列的通道从底部根部输送到叶子。例如，针叶树具有径向排列的微通道和波浪状多孔网络，在吸收和输送低流动阻力的水方面具有竞争优势。烟台大学朱小涛副教授、Guina Ren等研究人员在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表论文，研究受针叶树特征结构的启发，开发了一种三维壳聚糖还原氧化石墨烯/聚吡咯（CS-RGO/PPy;CRP）气凝胶蒸发器具有垂直和径向对齐结构，通过定向冷冻过程实现高效的太阳能水净化。
3D气凝胶内的径向多孔壁和垂直排列的通道能够促进高光吸收，定位转换的热量，快速的水传输和盐水自排放。在1次太阳照射下，气凝胶蒸发器表现出95%的光吸收特性和高蒸发速率（∼3.19 kg m–2h–1），从饱和盐水生产中实现了连续的淡水，没有固体盐结晶。除了实现海水淡化外，所得气凝胶还可以通过太阳能蒸馏净化有机废水和乳液，并具有高速连续产水。通过模仿针叶树的结构，成功地设计和制造了一个具有垂直和径向排列结构的CRP径向气凝胶，通过径向冰模板的组装。作者预计，这种垂直和径向排列的针叶树启发的盐水淡化、废水处理和太阳能收集等领域将得到极大的启发。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsami.3c02867
7、张光华/冀豪栋/曾湘楚博士《CEJ》：磁性壳聚糖复合气凝胶协同去除水体二元污染物中络合-吸附-降解的分子水平理解
“Molecular-level understanding on complexation-adsorption-degradation during the simultaneous removal of aqueous binary pollutants by magnetic composite aerogels”
曾湘楚博士、张光华教授、冀豪栋研究员等联合在Chemical Engineering Journal（影响因子16.744）上发表了研究论文，探究了微晶纤维素改性的超支化壳聚糖气凝胶（HCS/MCCs、M-HCS/MCCs）用于协同去除水体重金属、偶氮染料及其配合物的应用效果、分子构筑及去除机理，突出了其作为环境功能材料通过络合-吸附-降解的协同工艺在水体微（痕）量及络合态污染物的深度处理上的巨大潜力。
研究人员通过磁性颗粒的掺杂赋予复合材料活化催化过硫酸盐降解水体重金属配合物和有机污染物的能力；其次，二元污染体系中生成的重金属配合物也能自催化过硫酸盐产生自由基和非自由基而进行自催化降解和催化有机物降解，对水体因吸附而残留以及难吸附的污染物具有深度去除效果。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143536
8、西安交大《Nat. Commun.》：新突破！高度交联的碳管气凝胶，具有增强的弹性和抗疲劳性“Highly cross-linked carbon tube aerogels with enhanced elasticity and fatigue resistance”
碳气凝胶具有弹性、机械强度和抗疲劳性，以其在软机器人、压力传感器等领域的前景广阔而闻名。然而，这些气凝胶通常是易碎和/或容易变形的，这限制了它们的应用。西安交通大学王红洁教授团队在《Nat. Commun》期刊发表名为“Highly cross-linked carbon tube aerogels with enhanced elasticity and fatigue resistance”的论文，研究报告了一种通过组装互连碳管来制造高度可压缩和抗疲劳气凝胶的合成策略。碳管气凝胶表现出接近零的泊松比，表现出超过20 MPa的最大强度和高达99%的完全可回收应变。
它们具有高抗疲劳性（在99%应变下1000次循环后，永久降解率低于1.5%），并且在Ar气氛中热稳定性高达2500°C。此外，它们还具有可调电导率和电磁屏蔽。机械和多功能特性的结合为在恶劣环境中使用提供了有吸引力的材料。因此，作者相信它们在各种实际应用中具有巨大的应用潜力，例如可穿戴电子产品和高精度压力传感器等应用。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-38664-6
9、上海电大《ACS ANM》:3D石墨烯/CoSe2复合气凝胶，用于高性能非对称超级电容器“Three-Dimensional Graphene-Wrapped CoSe2 Nanowires for High-Performance Asymmetric Supercapacitors”
上海电力大学徐燕 讲师、朱燕艳 教授等在《ACS Appl. Nano Mater.》期刊发表论文，研究开发了一种三维石墨烯（3DG）包覆的多孔纳米线结构，表现出良好的多尺度和多维多孔纳米结构，形成了具有丰富离子传输通道、高比表面积和优良导电性的气凝胶（3DG/CoSe2NWs）。
这种气凝胶可以直接用作灵活的无粘结剂电极，在1 A g-1时具有1272 F g-1的高比容量，当电流密度增加到10 A g-1时具有1156 F g-1的出色速率能力。所制备的不对称超级电容器（3DG/CoSe2NWs//AC）表现出优异的循环稳定性，在10,000次循环后，5 A g-1的库仑效率为96.19%。评估了柔性非对称超级电容器（ASC）装置在不同弯曲角度下的性能，并确认了其放电稳定性，这表明其在实际应用中的潜力。此外，两个串联的3DG/CoSe2NWs//AC ASCs（1cm×3cm）能够点亮LED灯，突出了该装置的前景。3DG/CoSe2NWs电极作为可穿戴电子设备的高性能柔性电极表现出巨大潜力。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsanm.3c01416
10、东华大学丁彬/斯阳《AM》：仿生电鳗！用于渗透压差高效电能收集的气凝胶离子传输马达“Meta-Aerogel Ion Motor for Nanofluid Osmotic Energy Harvesting”
在自然界中，电鳗可以实现利用离子梯度放电，它的神经元介导的电器官可以完全从离子流中产生100W的可怕放电，用于驱赶捕食者和制服猎物。因此电鳗的结构是渗透压差电能收集技术可以学习的对象。电鳗的电器官的典型进化特征是成千上万的细长神经纤维和电活性细胞，它们以平行堆叠的方式遍布电鳗身体的后部80%。在脉冲期间，神经元纤维产生刺激信号，促进静止的电细胞中的离子接近、进入，并通过细胞膜的纳米流体通道向细胞外空间运输，从而产生约75mV的跨细胞电。通过千上万的多个器官堆叠串联，能够实现600V以上的巨大电位。
受启发于电鳗的放电方式，近期东华大学丁彬、斯阳团队构思了一种纳米尺度的组装策略，制作了一种气凝胶离子马达（NMIMs）为离子传输提供纳米通道。所得的气凝胶离子马达表现出丰富的次纳米孔道、超高的表面积（952 m2 g-1）、高的孔隙体积（2.5 cm3 g-1）、低阻力和卓越的离子选择性等综合特征，并且具有优良的机性和可扩展性。当NMIM系统被用作渗透性发电装置时，能够在混合天然河水和海水时产生超过30W m-2的功率密度。这种仿生物元气凝胶具有成千上万的纳米流体电缆纤维，作为 "离子高速公路 "有选择地将离子从海水中输送到河水中，在50倍的盐度梯度下产生了高达30.7W m-2的特殊功率密度。这一特殊的离子传输气凝胶为阴离子传输提供了快速的离子通道，为下一代渗透压差能量的收集提供了新的思路。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202302511
