几种气凝胶材料及其应用

徐长发，华中科技大学，2020.7.10

为了解决海上漏油的搜集问题，科技科技工作者希望发明一种既轻又像海绵一样的材料，材料轻能够飘在水上，材料多孔吸油，还能挤出油之后材料重新被再利用。

人们想到了自然界中的气凝胶。仔细观察，发现气凝胶实际上是由极细的固态物质构筑了一个立体框架，框架多孔，空隙中充满空气，气凝胶可以在空气中漂浮一段时间。

人们能不能做出类似于气凝胶形状的材料呢?

一.硅气凝胶

制备硅气凝胶的过程大致是这样的：原料是水玻璃，它是可溶性硅酸盐;适当加入聚缩物质(就像水缸中加入一点点明矾一样);在溶液中就形成了固体的框架，但也含有盐类物质;用大量的离子水冲洗盐;再用冷冻负压干燥的方法，把溶液去掉;还要做后处理，即做老化、防开裂等一系列处理步骤;最后得到独特性能的气凝胶。

硅气凝胶是固体材料，它的基本特点是，多孔、无序、具有纳米量级连续网络结构，框架的孔隙率高;比表面积大;框架有弹性，压缩后可以回弹;整体的密度很低，所含有的空气占整体的99.8%以上;它的成分和玻璃一样，都是二氧化硅，但硅气凝胶是世界上最轻的固体。

硅气凝胶是目前隔热性能最好的固体材料，在民用方面，玻璃、墙体、冰箱、管道的隔热，其效果非常好;特别是在航空、航天、军事中，越来越多地使用这种好的隔热材料。

硅气凝胶具有巨大的孔隙率和巨大的比表面积，是做催化剂的最佳结构，但是它的隔热性又阻碍了催化过程;科学工作者想出办法，把氧化钛溶液和二氧化硅溶液混合后再做气凝胶;于是就制成同时含有“氧化钛-二氧化硅”的气凝胶催化剂。从中人们得到启发，可以制成多种多样的气凝胶催化剂。

硅气凝胶具有非常好的隔音效果，原因是空隙小，再加上它耐高温、抗老化、耐腐蚀，所以把它用于玻璃之间的隔音层、声学仪器的隔音装置都有极好的效果。

硅气凝胶做集成电路的衬底效果好，因为它绝缘性好，耐击穿电压相对高，热膨胀系数与硅材料接近，热稳定性好。它将取代以前通用的衬底材料。

硅气凝胶独特的性质引起人们在基础研究方面的兴趣。科技工作者希望不同的气凝胶能够解决不同的应用目的。

二.碳气凝胶

受到硅气凝胶制作方法的启发，人们用一种可以碳化的有机材料，配置成有

机材料的溶液，加进凝结剂，制成有机的气凝胶，在惰性气体中高温碳化处理，于是就得到了碳气凝胶。

这里介绍的仅仅是一种直观制作碳气凝胶的方法，现在已经有其它的可以批量生产的方法了。

碳气凝胶是一种纳米尺度三维网络结构，网络结构有弹性，比表面积非常大，整体重量特别轻，是一种新型碳素材料。

碳气凝胶，它一是气凝胶类的，二是碳质的，这就决定了它的众多的应用。下面列举几个例子。

1.用作燃料电池电催化剂载体或电催化剂

碳气凝胶及其复合材料因具有比表面积大、电化学性能稳定以及导电性等特点，在燃料电池中主要被作为电催化剂的载体或直接作为电催化剂。

2.用作铅酸电池负极材料

在铅酸电池负极中引入碳气凝胶(称为铅碳电池)可减少负极的硫酸盐化，增强电荷接受能力，可降低充电电压，从而提高效率并减少正极板的腐蚀延长循环寿命，提高储能性能。

3.用作锂离子电池的正极材料

在锂离子电池的正极中加入碳气凝胶材料,可形成电容性锂离子电池，在不

显著降低能量密度的情况下,可提高其比功率和寿命。

4.用作环保处理材料

现有的环保技术在处理废水中的金属离子时，一般采用离子交换法，加热蒸发方法，反相渗透方法;与之相比，碳气凝胶进行电吸附去除溶液中的金属离子具有很多优势，包括可以再生、减少了二次污染，节约能量;超高比表面积、超低密度、良好的化学惰性、耐腐蚀性和高压缩的力学特性，通过对表面功能团的修饰可作为选择性油水分离吸附剂，且可以通过蒸馏或燃烧重复使用。集大孔、介孔和微孔结构能产生强烈的热电子效应并提高光热转化效率，碳气凝胶可以进行海水淡化、硬水软化和污水处理的材料。

5.用作催化剂载体

高比表面积、高孔隙率、低密度且稳定性较好的网络结构是催化剂载体的最佳材料之一，只要把催化剂纳米微粒有效地结合在碳气凝胶中，就可以做出块状的催化剂材料。

6.用作生物医疗材料

碳气凝胶具有高孔隙率、生物机体相容性及可生物降解特性，因而在医学领域具有广泛用途，可应用于诊断剂、人造组织、人造器官、器官组件等。特别适用于药物控制释放体系，可获得很高的药物担载量。

7.用作储氢材料

碳气凝胶具有高比表面积、低密度、连续的网络结构且孔洞尺寸很小又与外界相通，在低压条件下具有优良的吸、放氢性能,是目前潜在最优的纳米碳基固态储氢材料之一。

8. 军事及航天领域

与传统绝热材料相比，纳米孔气凝胶超级绝热材料可以用更轻的质量、更小

的体积达到等效的隔热效果。这一特点使其在航空、航天应用领域具有举足轻重的优势。如果用作航空发动机的隔热材料，既起到了极好的隔热作用，又减轻了发动机的重量。作为外太空探险工具和交通工具上的超级绝热材料也有很好的应用前景。

直观地，碳气凝胶隔热性能非常好，人们设想，把硅气凝胶和碳气凝胶结合起来，用于冰箱和其它制冷设备的隔热材料，效果一定很好。

三.石墨烯气凝胶

希望用石墨烯碎片制作气凝胶，可使用通常的制作方法，即“溶液”-“凝聚”-“固化”方法，但是该方法不能保证材料的形状。

科技工作者想出来一种简单的制作方法：1)将石墨烯粉末、碳纳米管与去离子水配成一定浓度的水溶液;超声震荡均匀;2)在较高温度下制备出石墨烯有机水凝胶;3)将石墨烯有机水凝胶放入氨水中浸泡;4)低温低压干燥。这样就得到了较高弹性的石墨烯气凝胶。

该方法简单宜行。只要改变容器，就可以获得任意形状的“碳海绵”，可以大规模制造。

石墨烯气凝胶有很高的弹性，被压缩80%后仍可恢复原状，密度仅为空气的1/6。它除了气凝胶特点，比表面积特别大、比重轻之外，还具有碳质和石墨烯质地的特性。于是会带来众多的应用。

石墨烯气凝胶对有机溶剂具有超快、超高的吸附力，是迄今已报道的吸油力最高的材料。而且只吸油不吸水。如果把它们撒在海面上，它能把漏油迅速地吸收进来，再压挤出油份，材料又可以回收利用。每1克石墨烯气凝胶能吸收900克的汽油，是处理海洋污染的吸油神器。

石墨烯气凝胶，可作为新型的气体过滤材料，液体过滤材料。

石墨烯气凝胶，用它做电解水的电极、电解制烧碱的电极，做氢燃料电池的电极，效果肯定很好。

石墨烯气凝胶做超级电容的效果一定很好。

石墨烯气凝胶作为碳质的催化剂材料一定非常好。

石墨烯气凝胶中如果充入适当的电解液，一定可以制成新型可充电电池，它一定具有储电容量大、内阻小、重量轻、充放电能快速、可多次重复使用等优异特性。

石墨烯气凝胶做成薄层，从隔热角度可以做出御寒衣服;改进其耐冲击性能就可以做成防弹衣;一定会有好效果。

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