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    氣凝膠專欄

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    硅氣凝膠與全碳氣凝膠

    發布時間:2018-11-12 13:56:59

           氣凝膠是一種固體物質形態,是世界上已知密度最小的固體之一。密度為3千克每立方米。氣凝膠按種類可分,硅系,碳系,硫系,金屬氧化物系,金屬系等。氣凝膠aerogel是個組合詞,aero是形容詞,意思是飛行的,gel是凝膠。字面意思是可以飛行的凝膠。任何物質的gel只要可以經干燥后除去內部溶劑后,又可基本保持其形狀不變,且產物高孔隙率、低密度,則皆可以稱之為氣凝膠。

     

     

    1. )硅氣凝膠

           硅氣凝膠細小的納米網絡結構能有效地限制了熱量的傳播,其固態熱導率比相應的玻璃態材料低2—3個數量級。納米微孔洞抑制了氣體分子的熱傳導。硅氣凝膠的折射率接近1,而且對紅外線和可見光的湮滅系數之比達100以上,能有效地透過太陽光,并阻止環境溫度的紅外熱輻射,成為一種理想的透明隔熱材料,目前在太陽能和建筑物節能方面已經得到成功的應用。通過后續工藝方法,可進一步降低硅氣凝膠的輻射熱傳導,常溫常壓下氣凝膠的熱導率可低達0.013w/m·K,是目前熱導率最低的固態材料,可替代聚氨脂泡沫成為新型冰箱隔熱材料。摻入二氧化鈦可使硅氣凝膠成為新型高溫隔熱材料,800K時的熱導率僅為0.03w/m·K,作為軍品配套新材料將得到進一步發展。

           另外硅氣凝膠還具有低聲速特性,它還是一種理想的聲學延遲或高溫隔音材料。該材料的聲阻抗可變范圍較大(103—107 kg/m2·s),是一種理想的超聲探測器的聲阻耦合材料,如常用聲阻匝Zp=1.5×l07 kg/m2·s的壓電陶瓷作為超聲波的發生器和探測器,而空氣的聲阻只有400 kg/m2·s。用厚度為1/4波長的硅氣凝膠作為壓電陶瓷與空氣的聲阻耦合材料.可提高聲波的傳輸效率,降低器件應用中的信噪比。初步實驗結果表明,密度在300 kg/m3左右的硅氣凝膠作為耦合材料,能使聲強提高30 dB,如果采用具有密度梯度的硅氣凝膠,可望得到更高的聲強增益。

     

    2. )全碳氣凝膠

           炭氣凝膠(carbon aerogel)是一種輕質、多孔、非晶態、塊體納米炭材料,其連續的三維網絡結構可在納米尺度控制和剪裁。它是一種新型的氣凝膠,孔隙率高達80~98%,典型的孔隙尺寸小于50nm,網絡膠體顆粒直徑3~20nm, 比表面積高達600~1100m2/g。       

           炭氣凝膠與傳統的無機氣凝膠(如硅氣凝膠)相比,炭氣凝膠具有許多優異的性能和更加廣闊的應用前景。炭氣凝膠具有導電性好、比表面積大、密度變化范圍廣等特點,是制備雙電層電容器理想的電極材料。炭氣凝膠是唯一具有導電性的氣凝膠,可用于超級電容器的電板材料。有機氣凝膠及炭氣凝膠具有生物機體相容性,使得其可用于制造人造生物組織、人造器官及器官組件、醫用診斷劑及胃腸外給藥體系的藥物載體。由于炭氣凝膠的組成元素(碳)原子序數低,因而用于Cerenkov探測器時優于硅氣凝膠材料。

           炭氣凝膠的制備一般可分為三個步驟:即形成有機凝膠、超臨界干燥和炭化。其中有機凝膠的形成可得到具有三維空間網絡狀的結構凝膠;超臨界干燥可以維持凝膠的織構而把孔隙內的溶劑脫除;炭化使得凝膠織構強化,增加了機械性能,并保持有機凝膠織構。

           中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員張學同帶領的氣凝膠團隊與英國倫敦大學學院教授宋文輝及中國科學技術大學教授閆立峰等合作,以平均直徑達到220納米的導電高分子(聚苯胺聚吡咯共聚物)空心球為前驅體,以氧化石墨烯為交聯劑,先后通過溶膠-凝膠工藝、超臨界流體萃取工藝、高溫熱處理工藝等關鍵步驟(圖1),成功獲得了一種新型的全碳氣凝膠,即石墨烯交聯的碳空心球氣凝膠(圖2)。交聯劑石墨烯的存在,把球與球之間的點對點接觸巧妙轉化為點對面接觸,因而提高了最終氣凝膠的力學性能;空心球結構的使用,以及在亞微米級空心球殼層上造出的大量微孔,保證了獲得的最終氣凝膠具有大的比表面積;而前驅體導電高分子的選擇,使得最終的全碳氣凝膠實現了氮元素的摻雜。

           研究獲得的石墨烯交聯的碳空心球氣凝膠具有低密度((51-67mg/cm3)、高導電性(263-695S/m)、高比表面積(569-609m2/g)、高楊氏模量(1.8MPa)等諸多優點,有望在能源(捕獲、存儲、轉換)、傳感、催化、吸附、分離、功能復合材料等領域得到廣泛應用。例如,將石墨烯交聯的碳空心球氣凝膠作為電極材料應用在U-型熱電化學池上,電池的輸出功率高達1.05 W·m-2 (6.4 W·Kg-1),其相對卡諾循環的能量轉化效率高達1.4%,這些數值遠高于目前同類型器件的數值。

    該工作為大尺寸粒子組裝成氣凝膠提供了很好的設計思路,解決了由亞微米結構單元制備功能性氣凝膠的技術難題。

    交聯氣凝膠石墨烯交聯氣凝膠

    圖1 石墨烯交聯的碳空心球氣凝膠制備工藝路線示意圖,圖2 石墨烯交聯的碳空心球氣凝膠:(a)花瓣上的氣凝膠;(b)氣凝膠的掃描電子顯微鏡照片;(c)氣凝膠的透射電子顯微鏡照片;(d)氣凝膠的氮氣吸脫附曲線。

     
     

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