氣凝膠研發進展丨近期氣凝膠領域頂刊成果！

據其官網報道，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張學同研究員團隊與西北工業大學孔杰教授團隊合作，通過將吸濕鹽LiCl引入到打孔石墨烯氣凝膠纖維中，得到一種具有吸濕性的石墨烯氣凝膠智能纖維（LiCl@HGAFs），實現了空氣取水、吸附式制冷/制熱與寬頻微波吸收多功能的集成化。LiCl@HGAFs由于其高表面積和高吸水動力學，使其吸水能力超過4.15gg⁻¹。此外，該吸附劑還可以通過光熱和電熱兩種方法進行再生。隨著水的吸附和解吸，LiCl@HGAFs經歷了一個高效的傳熱過程，儲熱容量為6.93kJg⁻¹。在加熱模式和冷卻模式下的性能系數可分別達到1.72和0.70。值得注意的是，在被捕獲的水中，LiCl@HGAFs表現出較寬的微波吸收，有效吸收頻寬為9.69GHz，良好的阻抗匹配，高衰減常數為585。根據這些發現，多功能的LiCl@HGAFs為在水采集、熱量分配和微波吸收方面的應用開辟了一條途徑。這一策略也表明了將氣凝膠纖維功能化為更廣泛應用的可能性。。相關工作以Hygroscopic holey graphene aerogel fibers enable highly efficient moisture capture, heat allocation and microwave absorption為題發表在Nature Communications上。

據中國科學院官網報道，蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員張學同團隊開發了一種通用的微凝膠輔助懸浮打印（MSP）策略，用于按需構筑各種具有任意立體結構的介孔氣凝膠。作為概念證明，研究采用去質子化的凱夫拉納米纖維（KNF）分散液為墨水，選用合理設計的微凝膠作為輔助基質，通過基于擠出的3D打印技術，將KNF墨水按預先設定的結構逐層沉積到微凝膠基質中，經基質去除、溶劑交換和超臨界CO₂干燥，獲得了由隨機纏結納米纖維組成的3D打印Kevlar氣凝膠（3D-KA）。在MSP策略中，可打印墨水的儲能模量（G′）、屈服應力（τy）和表觀粘度（ηa）必須相互匹配，以確保墨水順利從噴嘴擠出；相應微凝膠基質的G′、τy和ηa也要相互匹配，以確保針頭的穩定移動和對打印線條的承載；針頭的內徑（d）、擠出壓力（ΔP）和打印速度（νp）也對打印線條的尺寸和形貌具有重要影響。此外，MSP策略實施前還需要將某些特定的墨水溶膠-凝膠轉變因素，如pH值、溫度、化學成分，預加載到相應的微凝膠基質中，以促進墨水的成型。在MSP策略實施過程中，沉積在微凝膠基質中的KNF墨水立即進行部分溶膠-凝膠轉變，基質可臨時支撐未完全凝膠化的KNF線條直至其完全凝膠老化。研究發現，利用二甲基亞砜（DMSO）和卡波姆（Carbopol）的分散-質子化凝膠作用，以及1,4-二溴丁烷（Db）的化學交聯作用，Db可在KNF的氮負離子位點進行取代反應，從而在相鄰KNF線條間形成共價烷烴鍵，促進相鄰KNF打印線條之間的粘附力，進而保證結構的完整性。此外，在針頭直徑一定的情況下，墨水的擠出速率（νe）、針頭的移動速率（打印速度，νp）、基質中KNF（ν1）和Db（ν2）的雙擴散速率共同影響著KNF打印線條的形態和直徑。由于MSP策略中微凝膠基質的輔助作用，擠出打印方法對墨水的流變性要求不嚴格，打印速度大大提高（高達167 mm s^-1），遠高于文獻報道的打印速度（通常小于20 mm s^-1），提高了制備效率。研究發現，通過MSP策略，KNF墨水在高速打印模式下展示了優異的可打印性和可編程性，可制備出具有任意空間結構的Kevlar結構，如各種線條圖案和體型結構；采用0.1 M的鹽水清洗，可將定制的Kevlar結構從微凝膠基質中取出；通過溶劑置換和超臨界干燥，即可得到相應的氣凝膠結構。

為驗證基于MSP策略制備的凱夫拉氣凝膠的實際應用，研究人員通過合理的工程設計定制了Kevlar氣凝膠絕熱組件（3D-KAI）。由于氣凝膠固有的隔熱性能和Kevlar的極端耐高低溫特性，該3D-KAI顯示出優異的低溫防護性能，在-30℃下，安裝有定制3D-KAI的無人機電池（D-LIPO）放電容量為2217 mAh，比未安裝3D-KAI的D-LIPO高26%（放電容量為1761 mAh），這表明電池可以得到有效保護，以確保其在惡劣環境下的正常放電。由MSP策略定制的3D-KAI可以準確復制實際設備的多尺度架構，并解決電池在低溫下運行時容量下降的問題，可擴展到氣凝膠在其他隔熱保溫環境的應用。通過使用相應的前驅體墨水，上述MSP策略可以推廣到其他氣凝膠的構筑，包括有機（纖維素、海藻酸鹽、殼聚糖）、無機（石墨烯、MXene、二氧化硅）和無機-有機（石墨烯/纖維素、MXene/海藻酸鹽、二氧化硅/殼聚糖）復合氣凝膠。所有3D打印的氣凝膠都顯示出良好的螺旋形狀，內部具有豐富的多孔結構，驗證了MSP策略的普適性。該方法打破了傳統基于擠出的直寫成型技術對墨水流變性能的嚴格要求，拓展了可打印材料的種類。相關成果以General Suspended Printing Strategy toward Programmatically Spatial Kevlar Aerogels為題發表在ACS Nano上。

據中科院蘇州納米所官網報道，輕量化實驗室項目研究員王錦等人開發了一種以水玻璃為硅源的氧化硅氣凝膠低能耗制備技術，并設計了一種簡單的氣凝膠-相變材料的layer-by-layer(LBL)雙層結構(圖1c-e)，通過氣凝膠與相變材料的合作共贏、協同發揮各自優勢，實現了嚴寒(-30℃)和炎熱(70℃)環境下的長續航保溫和隔熱：在極端嚴寒(-30℃)下，該LBL結構維持20℃以上的時間比單純采用氣凝膠時延長480%；在極端炎熱環境(70℃)中，該LBL結構維持31℃以下的時間比單純采用氣凝膠時延長了1360%。特別是模擬太陽光直射曝曬時，該LBL結構能夠長時間維持模型小汽車內的溫度低于28℃。 相關研究工作為氣凝膠的制備，極端環境下的人體熱管理策略，以及日常節能減排提供了一種重要的參考途徑，并以“Superhydrophobic Silica Aerogels and Their Layer-by-Layer Structure for Thermal Management in Harsh Cold and Hot Environments”為題發表在ACS Nano上，同時申請了發明專利2項。

頻繁的石油泄漏、不溶于水的有機溶劑泄漏以及工業含油廢水排放的增加，都造成水污染、生態系統失衡和許多自然災害。全球對油污凈化的需求需要開發低成本、高效率的可靠且靈活的材料和技術。在眾多的材料和技術中，吸附劑由于操作簡單、回收油分效率高、環保等優點，被認為是油污凈化的有前景的候選材料。華南理工大學陳克復院士、曾勁松教授等研究團隊提出了一種新策略來有效地制造3D彈性還原氧化石墨烯(RGO)交聯碳氣凝膠。值得注意的是，從植物紙漿中分離出的纖維素納米晶體(CNCs)是必不可少的成分，而植物紙漿過程中的工業副產品預水解液(PHL)作為粘合促進劑，實現了碳氣凝膠強度和柔韌性的增強. 這是第一次充分利用樹的所有成分（紙漿和PHL）來設計碳氣凝膠。具有跳板彈性支撐微結構的波浪狀碳層的形成能夠實現機械拉伸和收縮，并避免壓縮過程中的界面塌陷。得益于獨特的波浪層結構和強相互作用，碳氣凝膠超輕（4.98 mg cm^–3 ) 并表現出超壓縮（承受95%的極端應變）和超彈性（在50%的應變下500次循環后保持約100%的高度）。特別是碳氣凝膠可以選擇性、快速地吸附各種油性污染物，表現出較高的油/有機溶劑吸收能力（對四氯化碳可達276 g g^–1）和良好的可回收性。最后，展示了碳氣凝膠在石油凈化和污染修復設備中的實際應用。因此，這種多功能且堅固的功能化碳氣凝膠在石油凈化和污染修復方面具有廣闊的潛力。研究成果以“Mechanically Flexible Carbon Aerogel with Wavy Layers and Springboard Elastic Supporting Structure for Selective Oil/Organic Solvent Recovery”為題發表于ACS Applied Materials & Interfaces。

據中科院官網報道，中國科學院青島生物能源與過程研究所低碳催化轉化研究組開發出一種金屬離子誘導MXene凝膠化-硫化通用策略，成功制備硫摻雜MXene負載金屬硫化物納米顆粒三維（3D）氣凝膠結構催化劑，實現電催化氮還原合成氨活性的極大提升。 在室溫常壓溫和條件下，該材料表現出優異的電化學氮還原反應催化活性，在電位為-0.15 V （vs. RHE）, 實現了12.4 μg·h^-1mg^-1cat 產氨速率和27.05%法拉第效率。該活性數值超過了大多數已報道的鈷基納米催化劑。此外，該催化劑具有優異的穩定性，經過50小時測試后電化學活性未見明顯衰退。該策略具有較強的普適性，可適用于制備三維氣凝膠結構催化劑，如FeS@S-MAs、CuS@S-MAs、NiS@S-MAs，且均具有較大的比表面積、3D多孔結構和豐富的界面結構。相比于非氣凝膠結構催化劑，也均表現出更加優異的電化學氮還原活性。該研究為合成MXene基3D多孔氣凝膠結構納米材料提供了新策略，為探索在能源催化轉化、氣體分離和光電催化轉化等領域的研究提供了新思路。該研究成果以“A General Strategy toward Metal Sulfide Nanoparticles Confined in a Sulfur-Doped Ti₃C₂T_x MXene 3D Porous Aerogel for Efficient Ambient N₂ Electroreduction”為題發表于Small。

人體長時間呆在寒冷的環境中，很容易患上靜止不動的凍傷、持續疼痛的心血管疾病，甚至死亡，這是由于大量的熱量散失造成的。通過儲存大量靜止空氣來減少熱量損失的保暖材料在個人防寒方面引起了越來越多的關注。目前，常規的保暖材料可分為天然纖維集合體和合成纖維集合體。 羽絨作為具有代表性的天然保暖材料，由于其高度蓬松的結構，其導熱系數相對較低。然而，由于疏水性差，羽絨的保暖性能在高相對濕度（RH）下會迅速降低。東華大學丁彬研究員、俞建勇院士團隊報告了一種簡單的策略，以制備納米/微纖維海綿超彈性，堅固的阻燃性和有效的保溫性能的直接靜電紡絲。通過精確調節相對濕度，構造出低體積密度、高孔隙度的三維蓬松海綿；同時，創新性地引入了具有高極限氧指數(LOI)的機械魯棒性聚酰胺亞胺納米纖維，以提高納米/微纖維海綿的結構穩定性和可燃性。引人注目的是，所開發的納米/微纖維海綿具有超輕特性(6.9 mg cm^-3)、超彈性(100次壓縮試驗后塑性變形為0%)、有效阻燃性能(LOI為26.2%)、以及良好的保溫性能(熱導率為24.6 mW m^-1 k^-1)。這一研究成果為設計超彈性阻燃保溫材料提供了理論依據。研究成果以“Superelastic and Fire-Retardant Nano-/Microfibrous Sponges for High-Efficiency Warmth Retention”為題發表于ACS Applied Materials & Interfaces。