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氣凝膠材料的研究進(jìn)展

2022-06-10 11:50:19 作者：新材料科技資訊來源：新材料科技資訊分享至：

摘要：氣凝膠材料是一種由納米粒子或聚合物分子鏈組成的具備三維納米結(jié)構(gòu)的多孔材料，具有低密度、高孔隙率、高孔體積和高比表面積等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，顯現(xiàn)出優(yōu)異的光、熱、聲、電和力學(xué)等特性，在航空航天、石油化工、環(huán)境保護(hù)、建筑保溫、能量儲存與轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。迄今為止，氣凝膠的種類已由最初的SiO2氣凝膠發(fā)展到了具有特定功能的各類新型氣凝膠，從而有效拓寬了氣凝膠的應(yīng)用范圍。氣凝膠材料通常采用溶膠-凝膠、老化、溶劑置換并結(jié)合超臨界干燥、冷凍干燥或常壓干燥等過程制備。氣凝膠材料按照組成可以分為單組分氣凝膠和多組分氣凝膠，其中單組分氣凝膠主要包括氧化物氣凝膠、碳化物氣凝膠、氮化物氣凝膠、石墨烯氣凝膠（GA）、量子點(diǎn)氣凝膠、聚合物基有機(jī)氣凝膠、生物質(zhì)基有機(jī)及C氣凝膠和其他種類氣凝膠，而多組分氣凝膠由兩種及以上單組分氣凝膠構(gòu)成或者由纖維、晶須、納米管等作為增強(qiáng)體所形成的氣凝膠復(fù)合材料。本文主要介紹各類單組分及其復(fù)合氣凝膠材料的制備方法及其在隔熱、吸附、催化、儲能轉(zhuǎn)化和生物醫(yī)用等領(lǐng)域的應(yīng)用，對近年來氣凝膠在制備及應(yīng)用方面所取得的突破性進(jìn)展進(jìn)行了綜述。同時(shí)也指出在基礎(chǔ)研究方面亟需通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)氣凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)生長調(diào)控、表面組成及化學(xué)結(jié)構(gòu)調(diào)控和高溫組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性調(diào)控；在功能型氣凝膠材料開發(fā)方面，通過反應(yīng)機(jī)制深入研究氣凝膠材料結(jié)構(gòu)和性能關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)高性能的多功能型氣凝膠材料突破性進(jìn)展；在規(guī)?；瘧?yīng)用方面，尋找成本低廉的前驅(qū)體原料和降低氣凝膠干燥成本是氣凝膠產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程長遠(yuǎn)發(fā)展的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：氣凝膠；復(fù)合氣凝膠；氧化物；碳化物；氮化物；石墨烯；量子點(diǎn)；聚合物；生物質(zhì)；碳?xì)饽z；隔熱材料；吸附；催化劑；生物醫(yī)用；儲能轉(zhuǎn)化

氣凝膠材料通常是指以納米級顆?；蚓酆衔锓肿渔溝嗷ゾ奂纬杉{米多孔結(jié)構(gòu)，在納米孔洞中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)的三維多孔輕質(zhì)固體材料。

氣凝膠材料具備低密度、高比表面積、高孔隙率和孔體積等結(jié)構(gòu)特性，使其具有耐高溫、低熱導(dǎo)率、低折射率和低聲傳播速度等特殊的光、熱、聲、電性能，進(jìn)而在隔熱保溫、吸附分離、生物醫(yī)用、光-電催化、儲能轉(zhuǎn)化、吸聲隔音及高能粒子捕獲等諸多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，吸引了科研、生產(chǎn)、設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，成為當(dāng)前材料科學(xué)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。

據(jù)國外研究機(jī)構(gòu)MarketResearch.biz的研究報(bào)告指出，全球氣凝膠年市場價(jià)值已達(dá)5.129億美元（2016年），預(yù)計(jì)以31.8%復(fù)合年增長率增長，到2026年將達(dá)80多億美元。

縱觀氣凝膠材料的發(fā)展歷史，其發(fā)展歷程幾經(jīng)波折。氣凝膠材料誕生于1931年，距今已有近90年的歷史，由加利福尼亞州太平洋學(xué)院Kistler教授以水玻璃為原料，采用乙醇超臨界干燥技術(shù)制得。當(dāng)時(shí)，鑒于氣凝膠材料所具備的超低密度及優(yōu)異的物理性能，孟都山公司在氣凝膠誕生的最初幾年里便進(jìn)行了氣凝膠顆粒的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

但在隨后的30多年中，由于氣凝膠生產(chǎn)中冗長的溶劑置換過程及高成本的超臨界干燥過程限制了其進(jìn)一步應(yīng)用，氣凝膠材料的發(fā)展長期處于停滯不前的階段。

直至1968年，氣凝膠的發(fā)展才迎來了第一次契機(jī)，法國里昂第一大學(xué)的Teichner教授研制了正硅酸甲酯（TMOS）并以此作為SiO2氣凝膠的有機(jī)硅前驅(qū)體材料，替代之前的水玻璃前驅(qū)體，避免了冗長的溶劑置換過程。

1986年，美國路易斯安那州立大學(xué)Russo教授又提出以正硅酸乙酯（TEOS）替代TMOS,從而使水解產(chǎn)物由具有毒性的甲醇轉(zhuǎn)變?yōu)闊o毒的乙醇，進(jìn)一步推動了氣凝膠材料的發(fā)展。

鑒于CO2的臨界溫度（31.26 ℃）低于乙醇的臨界溫度（243.10 ℃），科學(xué)家們在20世紀(jì)80年代又提出了以綠色、溫和的CO2超臨界干燥替代高溫、高壓的乙醇超臨界干燥，從而使氣凝膠的生產(chǎn)變得更為安全可靠。

第一屆和第二屆氣凝膠國際學(xué)術(shù)研討會分別在1985年和1988年召開，氣凝膠國際會議的召開促進(jìn)了氣凝膠材料在世界范圍內(nèi)的推廣和應(yīng)用。

1989年，氣凝膠發(fā)展迎來了第二個(gè)契機(jī)，美國勞倫斯-利物莫國家實(shí)驗(yàn)室的Pekala等研制了有機(jī)及C氣凝膠。

1995年，Prakash等提出氣凝膠的常壓干燥制備方法引起了學(xué)界和工業(yè)界的極大關(guān)注。21世紀(jì)將迎來氣凝膠發(fā)展的新契機(jī)，隨著研究手段的不斷豐富和基礎(chǔ)研究的不斷深入，越來越多的新型功能化氣凝膠不斷涌出，氣凝膠已經(jīng)從最初的SiO2氣凝膠發(fā)展成為龐大的氣凝膠家族。

氣凝膠材料按照組分不同可分為單組分和多組分氣凝膠，其中單組分氣凝膠包括氧化物氣凝膠、碳化物氣凝膠、氮化物氣凝膠、石墨烯氣凝膠（GA）、量子點(diǎn)氣凝膠、聚合物基有機(jī)氣凝膠、生物質(zhì)基有機(jī)及C氣凝膠和尖晶石、硫化物氣凝膠等其他種類氣凝膠；多組分氣凝膠（復(fù)合氣凝膠）是指由兩種及以上單組分氣凝膠構(gòu)成或者由纖維、晶須、納米管等增強(qiáng)體與氣凝膠基體相結(jié)合的氣凝膠復(fù)合材料。

本文重點(diǎn)介紹單組分氣凝膠及復(fù)合氣凝膠的組成、結(jié)構(gòu)、制備及在隔熱、吸附、催化、儲能轉(zhuǎn)化和生物醫(yī)用等領(lǐng)域所取得的突破性進(jìn)展。氧化物氣凝膠、碳化物氣凝膠、氮化物及其復(fù)合氣凝膠和聚合物基有機(jī)氣凝膠主要從發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀的角度展開綜述，石墨烯氣凝膠、量子點(diǎn)氣凝膠和生物質(zhì)基有機(jī)及C氣凝膠主要從制備方法和應(yīng)用領(lǐng)域方面闡述研究現(xiàn)狀，筆者根據(jù)氣凝膠的研究現(xiàn)狀還將展望氣凝膠材料未來的發(fā)展方向。

氧化物及其復(fù)合氣凝膠

氧化物氣凝膠屬于氣凝膠領(lǐng)域較成熟的種類，通常采用醇鹽或鹽類作為前驅(qū)體，采用酸堿兩步催化方法制備而成，兼具氧化物及氣凝膠兩者的特性，在氧化物原有優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上附加了輕質(zhì)、高孔隙率、高比表面積等特性，拓展了氧化物氣凝膠材料的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，氧化物氣凝膠研究較多的主要是SiO2、TiO2、ZrO2和Al2O3氣凝膠及復(fù)合氣凝膠。

1.1 SiO2及其復(fù)合氣凝膠

SiO2氣凝膠是最常見的氣凝膠材料，也是氣凝膠材料歷史上最早制備成功的，通常采用溶膠-凝膠法和超臨界干燥（或常壓干燥）技術(shù)制得。由于SiO2氣凝膠具有不同尋常的物理特性，目前在隔熱和吸附等諸多領(lǐng)域都已得到廣泛應(yīng)用。

同時(shí)，為了提高SiO2氣凝膠的力學(xué)性能、高溫隔熱性能和吸附效果，通過在氧化物氣凝膠中引入其他組分制得SiO2復(fù)合氣凝膠，通過表面改性技術(shù)制得表面含有功能基團(tuán)的SiO2氣凝膠，利用纖維增強(qiáng)增韌、高性能遮光劑和表面功能團(tuán)的作用，提高氣凝膠材料的性能。

1.1.1 隔熱用SiO2及其復(fù)合氣凝膠

相比于巖棉板、玻璃棉、聚苯乙烯泡沫（EPS）和擠塑聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）板等傳統(tǒng)保溫隔熱材料，氣凝膠在隔熱領(lǐng)域表現(xiàn)出更優(yōu)異的效果。氣凝膠內(nèi)部的平均孔徑約為20 nm,比空氣的平均自由程（70 nm）小得多，對流傳熱很小的同時(shí)大幅度降低氣體熱傳導(dǎo)。SiO2氣凝膠孔徑為1～100 nm,孔隙率最高可達(dá)99.8%,比表面積可達(dá)1000 m2/g,熱導(dǎo)率相對其他隔熱材料而言也非常低，因此具有優(yōu)異的隔熱和耐熱特性。

但是，SiO2氣凝膠的力學(xué)性能較差（如韌性差），限制了其使用范圍。因此，通過纖維等增強(qiáng)材料增韌SiO2氣凝膠制備氣凝膠復(fù)合材料，不但可以保持氣凝膠優(yōu)良的隔熱性能，還有望改善其柔韌性。

Liu等通過高溫碳化處理得到了具有微納米孔隙結(jié)構(gòu)的泡沫碳，并以此為增強(qiáng)體制備泡沫碳-SiO2氣凝膠復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)和傳熱機(jī)制見圖1,該復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度為1 MPa且室溫?zé)釋?dǎo)率為0.024 W/（m·K）。

圖1 樣品傳熱機(jī)制示意圖

Huang等采用溶膠-凝膠法結(jié)合溶液浸漬法成功制備了玻璃纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠（圖2），彎曲模量最高可達(dá)11.94 MPa,熱導(dǎo)率低至0.026 W/（m·K）。

圖2 玻璃纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠制備流程圖

伊希斌等通過溶膠-凝膠法結(jié)合乙醇超臨界干燥技術(shù)成功制備一種自生ZrOx納米纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠，該氣凝膠壓縮強(qiáng)度可達(dá)6 MPa以上且可承受的溫度最高可達(dá)1200 ℃，強(qiáng)度及隔熱效果明顯優(yōu)于純相SiO2氣凝膠。

由于SiO2氣凝膠對近紅外光（波長3～8 μm波段）透過性較強(qiáng)，導(dǎo)致SiO2氣凝膠在高溫環(huán)境下熱導(dǎo)率增長較快，高溫隔熱效果不理想。因此，選擇合適的遮光劑并使其均勻分布在SiO2氣凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，從而起到阻擋近紅外光、增強(qiáng)SiO2氣凝膠高溫隔熱效果的作用。

Yu等通過擴(kuò)散限制凝聚（DLA）理論計(jì)算的方法研究氣凝膠顆粒和遮光劑顆粒間的輻射傳熱耦合作用，驗(yàn)證了遮光劑的引入可有效提升氣凝膠高溫隔熱性能。

Parale等通過在SiO2氣凝膠中引入Y2O3遮光劑，有效降低了高溫?zé)釋?dǎo)率，727 ℃熱導(dǎo)率為0.080 W/（m·K），遠(yuǎn)低于純SiO2氣凝膠（0.104 W/（m·K））。

Xu等采用聚碳硅烷在莫來石纖維表面經(jīng)高溫?zé)峤庑纬梢粚覵iC層，然后采用溶膠-浸漬過程制備了高消光系數(shù)的纖維增強(qiáng)鋁硅復(fù)合氣凝膠，該復(fù)合氣凝膠1000 ℃下的熱導(dǎo)率低至0.049 W/（m·K）。

1.1.2 吸附用SiO2及其復(fù)合氣凝膠

物理吸附法具有成本低、不會造成二次污染、可循環(huán)使用等優(yōu)點(diǎn)，成為研究熱點(diǎn)并得到廣泛應(yīng)用。具有高比表面積和極低密度的疏水SiO2氣凝膠被認(rèn)為是一種非常成功的物理吸附劑。

陳海鋒等通過正己烷-三甲基氯硅烷（TMCS）溶液表面改性制得疏水SiO2氣凝膠，Langmuir 模型研究表明氨基改性后的SiO2氣凝膠對Ni2+飽和吸附量（70.03 mg/g）較改性前（29.05 mg/g）提高2倍多。

Yuan等通過溶膠-凝膠法結(jié)合冷凍干燥技術(shù)制備的C-SiO2氣凝膠對CCl4的最大吸附量為120.4 g/g,可重復(fù)用于油水分離9次以上，且保留彈性和疏水性，具有良好的重復(fù)使用性和耐久性。

El-Shahidy等采用新型的溶膠-凝膠法，在常壓干燥條件下成功合成了低密度、高比表面積的超疏水性有機(jī)改性SiO2氣凝膠，接觸角最大可達(dá)154.4°，對機(jī)油的最大吸附量為6.94 g/g。

Kong等采用一步溶膠-凝膠法制備了氨基雜化SiO2氣凝膠，在潮濕和干燥情況下， CO2（體積分?jǐn)?shù)為1%）吸附量分別高達(dá)4.51和3.34 mmol/g。

1.2 TiO2及其復(fù)合氣凝膠

TiO2氣凝膠是一種新型輕質(zhì)納米多孔材料，具有密度低、比表面積大和孔隙率高等優(yōu)點(diǎn)，作為一種高活性催化劑，可用于降解有機(jī)污染物、重金屬離子等，是一種典型的光催化材料。作為光催化劑，TiO2氣凝膠在降解有機(jī)污染物、重金屬離子、抗菌劑和電池電極等方面具有一定的應(yīng)用。

TiO2的禁帶寬度較大（帶隙為3.2 eV），限制了作為光催化劑的使用條件，通過離子摻雜、復(fù)合半導(dǎo)體、半導(dǎo)體光敏化和貴金屬沉積等方法降低TiO2氣凝膠的禁帶寬度，提高量子產(chǎn)率，有利于進(jìn)一步提高TiO2氣凝膠作為光催化劑、抗菌劑、電池電極等的使用效率。

1.2.1 光催化劑

TiO2氣凝膠作為光催化劑方面的研究，早在20世紀(jì)70年代，Carey等首次將光催化技術(shù)應(yīng)用到降解污染物上，得以使光催化技術(shù)成功應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域。

Djellabi等通過超聲波輔助溶膠-凝膠法并結(jié)合常壓干燥技術(shù)得到了一種碳質(zhì)生物-TiO2復(fù)合氣凝膠（TiO2-OP氣凝膠），該氣凝膠具有良好的可見光響應(yīng)，帶隙僅為2.76 eV,將該光催化劑用于10 mg/L Cr（VI）溶液降解（還原機(jī)制見圖3）中，30 min內(nèi)在可見光（波長> 420 nm）及酒石酸條件下的光催化效率高達(dá)100%,循環(huán)5次后光催化效率仍為86%。

圖3 碳質(zhì)生物-TiO2復(fù)合氣凝膠還原Cr（VI）示意圖

Jonoidi-Jafari等通過超聲波輔助溶膠-凝膠法并結(jié)合冷凍干燥技術(shù)制備了一種Ag-TiO2復(fù)合氣凝膠（圖4），該復(fù)合氣凝膠具有較低的禁帶寬度（2.7 eV），對甲苯具有高效的降解作用，降解率最高達(dá)95.7%,且在甲苯光催化降解過程中產(chǎn)生的二次污染很小，是一種有效的優(yōu)良催化劑。

1—sol novalac; 2—sol SiO2; 3—sol hybrib; 4—falcon; 5—high pressure autoclave; 6—composite aerogels （CA）； 7—carbon composite aerogels; 8—granule carbon

compostle aerogels

圖4 Ag-TiO2復(fù)合氣凝膠合成示意圖

Liu等采用溶劑熱輔助結(jié)晶法結(jié)合常壓干燥技術(shù)制備了一種氟-鎢改性的TiO2-SiO2 （Fy-W0.02TiO2-SiO2）復(fù)合氣凝膠，該復(fù)合氣凝膠具有典型的介孔結(jié)構(gòu)、較高的比表面積（223 m2/g），光催化效率比純TiO2提高了27%。

Parale等以多孔碳泡沫（CF）為骨架，采用溶膠-凝膠法制備了一種CF-TiO2氣凝膠復(fù)合材料，該復(fù)合氣凝膠的比表面積為150 m2/g,孔體積為0.26 cm3/g,對羅丹明B（Rh B）降解率在40 min內(nèi)能達(dá)到100%。

Wei等采用超聲波輔助溶膠-凝膠法結(jié)合真空干燥法制備了一種Sn-TiO2氣凝膠，該氣凝膠的比表面積為172 m2/g,對鹽酸四環(huán)素的最佳降解效率在30 min內(nèi)達(dá)到96%。

1.2.2 抗菌劑

TiO2是一種新型的抗菌劑，具有良好的理化穩(wěn)定性、高比表面積、高氧化活性和無毒性，在抗菌材料領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。但由于TiO2的能帶間隙較大，電子只能通過吸收紫外光來激發(fā)，限制了在抗菌方面的廣泛應(yīng)用。因此，如何提高TiO2的抗菌性能引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。通過離子摻雜復(fù)合半導(dǎo)體降低帶隙，并將TiO2制成具有多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氣凝膠材料，提高了材料的比表面積，有利于提高TiO2的抗菌性能。

Jing等采用溶膠-凝膠法制備了Ag-TiO2復(fù)合氣凝膠抗菌粉，抗菌率最高可達(dá)99%,大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制圈分別為23和19 mm。

Suo等通過溶膠-凝膠法得到一種具有抗菌性的TiO2-ZnO復(fù)合氣凝膠，生長機(jī)制如圖5所示，該復(fù)合氣凝膠的比表面積高達(dá)180 m2/g,且對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%的大腸桿菌、金黃色葡萄球菌溶液的最大抑制圈分別為23.0和19.5 nm。

圖5 TiO2-ZnO復(fù)合氣凝膠的生長機(jī)制

Zhang等通過水熱合成法結(jié)合冷凍干燥技術(shù)制備了一種新型的三維多孔 Ag-AgBr-TiO2-GA復(fù)合氣凝膠，該氣凝膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有顯著的殺菌效果，對大腸桿菌具有良好的循環(huán)殺菌效果。

1.2.3 電池電極

目前，電池仍然需要提高其比容量、穩(wěn)定性和安全性，才能促進(jìn)電池的商業(yè)化發(fā)展，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。

Alwin等采用溶膠-凝膠法制備了TiO2氣凝膠-金屬有機(jī)骨架（MOF）納米復(fù)合材料，作為準(zhǔn)固態(tài)染料敏化太陽能電池陽極材料，總功率轉(zhuǎn)換效率為2.34%,短路電流密度為6.22 mA/cm2。

Ramasubbu等通過溶膠-凝膠法結(jié)合常壓干燥成功制備了TiO2-Ni-MOF復(fù)合氣凝膠，用作太陽能電池陽極材料時(shí)的最大光轉(zhuǎn)換效率（8.846%）較純氣凝膠（6.805%）提高約30%。

Yang等制備了一種C-TiO2整體式協(xié)同氣凝膠，C-TiO2整體式協(xié)同氣凝膠及其除碳和除TiO2后的純TiO2和C氣凝膠的樣品和結(jié)構(gòu)示意圖見圖6。將C-TiO2整體式協(xié)同氣凝膠用作鋰離子電池電極后，電池的電化學(xué)性能得到了顯著改善：可逆放電比容量大概穩(wěn)定在400 mA·h/g,掃描頻率為168 mA/g,工作電壓為3.0～0.05 V。

圖6 C-TiO2整體式協(xié)同氣凝膠及除碳和除TiO2后的TiO2和C氣凝膠

Zhu等采用溶膠-凝膠法結(jié)合相分離的方法制備了一種多孔性的TiO2氣凝膠，該材料的比表面積為444 m2/g且具有良好的電化學(xué)性能，經(jīng)過100次循環(huán)后，可逆放電比容量可保持在114 mA·h/g之上，具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

1.3 ZrO2及其復(fù)合氣凝膠

ZrO2作為一種具有高熔點(diǎn)、高化學(xué)穩(wěn)定性和高折射率的材料，常被作為耐高溫材料及涂層使用。ZrO2氣凝膠具備ZrO2和氣凝膠兩者的特性，除了具有較低的熱導(dǎo)率、很高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，還具有結(jié)構(gòu)可控、高比表面積和低密度等特點(diǎn)。

1995年，Stocker等以正丁氧基鋯為原料通過溶膠-凝膠首次制備出了ZrO2氣凝膠，此后，ZrO2氣凝膠在隔熱領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。隨著科技的進(jìn)步，對隔熱材料的要求進(jìn)一步提高，這就要求ZrO2氣凝膠在高溫下還需具備高強(qiáng)度及很好的熱穩(wěn)定性，為此很多研究人員致力于提升ZrO2氣凝膠的力學(xué)性能及耐高溫性能。

Wang等采用溶膠-凝膠法結(jié)合超臨界干燥（SCD），首次制備了SiO2改性的ZrO2氣凝膠（ZSA），該氣凝膠的抗壓強(qiáng)度為0.419 MPa,密度僅為0.19 g/cm3,熱導(dǎo)率為0.021 W/（m·K）。

Liu等采用溶膠-凝膠法結(jié)合乙醇超臨界技術(shù)制備了ZrO2氣凝膠，密度低至0.161 g/cm3,熱導(dǎo)率低至0.020 W/（m·K），比表面積高達(dá)631 m2/g, 1000 ℃熱處理2 h后比表面積達(dá)189 m2/g。

Liu等以聚乙酰丙酮鋯（PAZ）為前驅(qū)體，合成了強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性強(qiáng)的ZrO2氣凝膠（PAZ-ZrO2氣凝膠），凝膠機(jī)制合成路線見圖7。PAZ-ZrO2氣凝膠的抗壓強(qiáng)度為0.12～0.23 MPa,并且具有較低的密度（（0.12±0.005） g/cm3），1000 ℃熱處理后比表面積仍達(dá)236 m2/g。

He等以ZrO2纖維氈（ZFF）為骨架，以ZrO2-SiO2氣凝膠為填料，通過真空浸漬法制備了抗壓強(qiáng)度為0.17 MPa、室溫?zé)釋?dǎo)率為0.034 W/（m·K）和1100 ℃熱導(dǎo)率為0.096 W/（m·K）的纖維-氣凝膠復(fù)合材料。

Hou等采用快速凝膠法制備了一種超輕ZrO2-SiO2纖維增強(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料，該復(fù)合氣凝膠具有超低密度（0.16～0.33 g/cm3）、低熱導(dǎo)率（0.024～0.030 W/（m·K））和高抗壓強(qiáng)度（0.36～0.82 MPa）的特點(diǎn)。

Zu等在苯胺-丙酮原位生成水的基礎(chǔ)上，結(jié)合化學(xué)液相沉積的方法制備了具有核殼結(jié)構(gòu)、耐1000 ℃超高溫的塊狀ZrO2氣凝膠。

此外，Liu等還制備了一種隔熱效果更加優(yōu)良的多組分ZrO2-SiO2復(fù)合氣凝膠，該氣凝膠與莫來石纖維復(fù)合后，600、800和1000 ℃的熱導(dǎo)率分別為（0.026±0.001）、（0.037±0.001）和（0.058±0.002） W/（m·K）。

圖7 PAZ-ZrO2氣凝膠的凝膠機(jī)制

1.4 Al2O3及其復(fù)合氣凝膠

Al2O3 的熔點(diǎn)為2054℃，Al2O3氣凝膠在具備高溫?zé)岱€(wěn)定性的同時(shí)，還具備了氣凝膠良好的保溫隔熱效果。文獻(xiàn)［71-74］研究表明Al2O3氣凝膠具備比SiO2氣凝膠更為優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，并且制備工序簡單，因此在高溫隔熱領(lǐng)域被廣泛研究。

Wagle等通過溶膠-凝膠法結(jié)合一種新型高效的溶劑置換法制備了Al2O3氣凝膠。該氣凝膠具有低密度（0.108 g/cm3）和高比表面積（519 m2/g）等特點(diǎn)，且在1000 ℃下仍能保持較好的熱穩(wěn)定性。

余煜璽等通過溶膠-凝膠和超臨界干燥過程制得塊狀A(yù)l2O3氣凝膠，比表面積高達(dá)745 m2/g,密度低至0.063 g/cm3,且在1200 ℃具有良好的熱穩(wěn)定性。

孫雪峰等通過溶膠-凝膠法并結(jié)合超臨界干燥技術(shù)制備了鍶摻雜Al2O3氣凝膠，該氣凝膠能承受1200 ℃的高溫，且比相同條件下純Al2O3氣凝膠的比表面積增加113 m2/g。

然而，Al2O3氣凝膠也存在力學(xué)性能差、脆性大等缺點(diǎn)，很難實(shí)現(xiàn)在高溫隔熱領(lǐng)域的有效使用。因此，改善Al2O3氣凝膠力學(xué)性能成為研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。

Zhong等以RF-Al2O3氣凝膠為前驅(qū)體，結(jié)合碳熱還原反應(yīng)制備出塊狀C-Al2O3氣凝膠，分別以AlCl3·6H2O和Al（NO3）3·9H2O為原料制得的氣凝膠的微觀形貌存在較大差異，材料內(nèi)部分別呈纖維狀和顆粒交聯(lián)狀。

Wu等制備了熱導(dǎo)率低至0.025 W/（m·K）的C-Al2O3氣凝膠，發(fā)現(xiàn)在Al2O3氣凝膠中引入C源在熱處理過程中可有效抑制γ-Al2O3向α-Al2O3的相變（相變會引起體積收縮和燒結(jié)），從而提升C-Al2O3氣凝膠的隔熱性能。

Wen等采用溶膠-凝膠法結(jié)合溶液浸漬法制備了一種纖維增強(qiáng)Al2O3氣凝膠復(fù)合材料（圖8，其中PO為環(huán)氧丙烷），該復(fù)合材料具有較低的熱導(dǎo)率（0.028 W/（m·K））、較高的熱穩(wěn)定性（可耐1200 ℃）和力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度達(dá)6.59 MPa）。

Zhong等通過溶膠-凝膠法制備了有機(jī)增強(qiáng)Al2O3氣凝膠復(fù)合材料，該復(fù)合氣凝膠具有低密度（0.077～0.112 g/cm3）、低收縮率（1.55%～2.76%）、低熱導(dǎo)率（0.024～0.028 W/（m·K））和較高的比表面積（453～723 m2/g），且其抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)1.83 MPa。

孫晶晶等以陶瓷纖維制成的高溫隔熱瓦為骨架，通過溶膠-凝膠法結(jié)合真空浸漬法制備了Al2O3氣凝膠復(fù)合高溫隔熱瓦，1400 ℃保溫30 min后線收縮率僅為2%。

圖8 純Al2O3氣凝膠和SiO2纖維增強(qiáng)Al2O3復(fù)合材料的合成過程示意圖

碳化物及其復(fù)合氣凝膠

氣凝膠由于其高比表面積、高孔隙率、低密度和低熱導(dǎo)率等優(yōu)異性能，已被廣泛應(yīng)用于隔熱保溫、吸附、催化和能源等領(lǐng)域，但隨著氣凝膠應(yīng)用領(lǐng)域的越發(fā)廣泛，普遍應(yīng)用于650℃及以下隔熱領(lǐng)域的傳統(tǒng)SiO2氣凝膠在高溫下結(jié)構(gòu)易坍塌，致使材料致密化，從而喪失其優(yōu)異性能，其他氧化物基氣凝膠的高溫?zé)岱€(wěn)定性也有待進(jìn)一步加強(qiáng)，高溫局限性極大地限制了氧化物基氣凝膠在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用。

碳化物是一種高硬度、高熔點(diǎn)和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的化合物，一般通過原位生成法制得，在制備過程中控制工藝參數(shù)將碳化物制成氣凝膠結(jié)構(gòu)，可提升氣凝膠材料的使用溫度，進(jìn)而拓展在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用，如航天航空、高溫窯爐、核能等領(lǐng)域。

2.1 SiC及其復(fù)合氣凝膠

SiC的硬度僅次于金剛石，且具有低熱膨脹系數(shù)、高耐磨性和化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但SiC熱導(dǎo)率高，研究表明可通過制成氣凝膠結(jié)構(gòu)從而改善SiC的隔熱性能。2004年，Lu等通過溶膠-凝膠法制得了碳纖維SiO2復(fù)合氣凝膠，在1650℃ Ar 氣氛下經(jīng)碳熱還原（SiO2+3C→SiC+2CO）得到直徑為8 nm 的類氣凝膠結(jié)構(gòu)SiC材料，該材料的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要由β-SiC納米顆粒構(gòu)成。

國內(nèi)科研人員于2008年也取得了相關(guān)研究成果，徐子頡等以酚醛樹脂和TEOS為原料，通過溶膠-凝膠法結(jié)合碳熱還原得到了類氣凝膠結(jié)構(gòu)的C-SiC復(fù)合納米材料。

2010年，Leventis等首次報(bào)道了使用聚合物交聯(lián)的SiO2氣凝膠合成出具備完整外形的多孔SiC氣凝膠，該塊狀材料在碳熱還原后收縮率達(dá)40%左右，并且工藝過程相對繁瑣、復(fù)雜、可操作性較差。

同年，Worsley等在活性炭氣凝膠表面上涂覆SiO2氣凝膠的前驅(qū)體，并通過碳熱還原處理得到SiC包裹C的復(fù)合氣凝膠，該材料在高溫下保持高比表面積和孔隙率，使其能夠在催化及能源存儲領(lǐng)域具有優(yōu)良的表現(xiàn)。

2014年，Kong等利用間苯二酚（R）-甲醛（F）和SiO2復(fù)合氣凝膠為前驅(qū)體制備塊狀SiC氣凝膠，制備過程中材料演變主要經(jīng)歷了RF-SiO2、C-SiO2、C-SiC和SiC等一系列過程，樣品及其微觀結(jié)構(gòu)如圖9所示，最終制備的材料孔隙率達(dá)90.8%,孔體積為0.965 cm3/g,比表面積為251 m2/g,且分別經(jīng)過1200℃高溫處理0.5和2 h 后，收縮率分別為6.10%和6.88%,材料具備優(yōu)異的隔熱性能和耐高溫性能。

圖9 SiC氣凝膠樣品及其SEM、TEM和HRTEM照片

文獻(xiàn)[88]采用不同摩爾比的γ-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES,KH550）和TEOS為Si源，制得了C-SiC復(fù)合氣凝膠，當(dāng)APTES質(zhì)量比為60%時(shí)，復(fù)合氣凝膠具有最高比表面積（410 m2/g）和最低熱導(dǎo)率（0.026 W/（m·K）），熱導(dǎo)率低于現(xiàn)有的純相C氣凝膠（0.090 W/（m·K））。

2014年，Zera等提出了一種鉑催化硅氫加成法，通過將聚碳硅烷與二乙烯基苯交聯(lián)，經(jīng)CO2超臨界干燥和1500℃碳熱還原制備出孔體積為0.166 cm3/g、孔隙率達(dá)90%、抗壓強(qiáng)度為1.6 MPa的C-SiC復(fù)合氣凝膠，該氣凝膠保留了原始?xì)饽z模板類似的微觀結(jié)構(gòu)。

2019年，An等以CF-SiO2氣凝膠為前驅(qū)體制備出了塊狀的SiC氣凝膠，該SiC氣凝膠的隔熱和結(jié)構(gòu)性能（熱導(dǎo)率為0.049 W/（m·K），比表面積為162 m2/g）低于文獻(xiàn)的C-SiC復(fù)合氣凝膠，但力學(xué)性能優(yōu)異，抗壓強(qiáng)度可達(dá)1.32 MPa。

2015年前后，Seraji等和Ghafoorian等創(chuàng)新性地從稻殼灰中提取Si源，采用常壓干燥取代超臨界干燥，并結(jié)合碳化及碳熱還原，以酚醛樹脂和硅溶膠為原料制備出了C-SiO2-SiC復(fù)合氣凝膠，制備流程如圖10所示，樣品的密度低至0.203 g/cm3,孔隙率最高達(dá)88.60%,且無明顯收縮，室溫?zé)釋?dǎo)率為0.121 W/（m·K），并且由于1500 ℃碳熱還原時(shí)產(chǎn)生了具有高力學(xué)強(qiáng)度SiC微晶，其抗壓強(qiáng)度最高達(dá)2.3 MPa。

圖10 C-SiO2-SiC復(fù)合氣凝膠的制備流程

2016年，Chabi等通過模板法制得了SiC氣凝膠，由于材料內(nèi)部存在大量的納米線，材料具有良好柔軟性，可恢復(fù)最大壓縮形變70%。

2018年，Su等以硅氧烷干凝膠為前驅(qū)體得到了SiC納米線氣凝膠，相對于普通的SiC氣凝膠，具有更低的密度（低至5 mg/cm3），室溫?zé)釋?dǎo)率為0.026 W/（m·K），且具有較好的耐火抗氧化性能等。

除了模板法和碳熱還原法外，2019年，Li等以化學(xué)氣相沉積法（CVD）也制備了密度為23 mg/cm3、熱導(dǎo)率為0.030 W/（m·K）和抗壓強(qiáng)度為0.11 MPa的SiC納米線氣凝膠。相較于SiC氣凝膠，SiC納米線氣凝膠密度更低，抗壓強(qiáng)度也隨之下降，可應(yīng)用與對材料質(zhì)量要求苛刻的領(lǐng)域。

除Si、O、C元素以外，還可通過引入其他元素制備多元復(fù)合SiC氣凝膠。2017年，Xie等通過在SiC氣凝膠制備過程中引入Al源，制備出了SiC-莫來石復(fù)合氣凝膠，比表面積約為70 m2/g,莫來石作為一種高熔點(diǎn)、高穩(wěn)定性、低透氧性和優(yōu)異的化學(xué)兼容性材料，它的引入不但降低了SiC相燒結(jié)的溫度，還進(jìn)一步提升了復(fù)合材料的抗氧化性。

2.2 SiOC氣凝膠

SiOC氣凝膠是由Si、O、C三種元素不按固定化學(xué)計(jì)量比組成的，可通過控制元素配比來調(diào)控SiOC氣凝膠的性能，從而應(yīng)用于不同領(lǐng)域。最早SiOC材料因其內(nèi)部含有Si—O和Si—C鍵，被當(dāng)作SiOC玻璃前驅(qū)體使用，表現(xiàn)出較高的力學(xué)強(qiáng)度和化學(xué)耐久性，還因其具有氣體敏感特性而被應(yīng)用于氣體傳感器領(lǐng)域。

2012年，F(xiàn)eng等以TEOS和二甲基二乙氧基硅烷（DMDES）為原料，通過碳熱還原技術(shù)制備了塊狀SiOC氣凝膠，密度低至0.3 g/cm3,比表面積為217 m2/g,在1000 ℃條件下依舊保持209 m2/g的比表面積，并指出SiOC氣凝膠由游離碳和無定形SiCO3組成，較純相SiO2氣凝膠具有更好的熱穩(wěn)定性。

2014年，Qiu等制備了大孔SiOC陶瓷，并對其導(dǎo)熱性能進(jìn)行了研究，室溫?zé)釋?dǎo)率低至0.041 W/（m·K），可用于高溫隔熱材料領(lǐng)域。

2015年，Dire等以雙（三乙氧基硅基）甲烷、1,2-雙（三乙氧基硅基）乙烷為原料，在800和1100 ℃下熱解，制備了塊狀透明的SiOC氣凝膠，比表面積為600 m2/g,核磁共振（NMR）光譜證明了SiOC網(wǎng)絡(luò)的形成。

2017年，Ma等提出一種以乙烯基三乙氧基硅烷（VTES）和TEOS為前驅(qū)體堿催化制備整塊SiOC氣凝膠的方法，SiOC氣凝膠比表面積為365 m2/g,抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)3.17 MPa。

2018年，Wu等通過溶膠-凝膠法結(jié)合超臨界干燥制備了單片SiOC氣凝膠，實(shí)驗(yàn)流程如圖11所示。

圖11 SiOC氣凝膠合成示意圖

SiOC氣凝膠還因?yàn)槠鋬?nèi)部無序游離碳及無定形基體具有優(yōu)良的電化學(xué)儲存性能，被廣泛用于鋰離子電池領(lǐng)域。

Pradeep等提出以Pt催化結(jié)合氫化硅烷化反應(yīng)制備SiOC氣凝膠，比表面積為230 m2/g,且具備高充放電性能，可在保持倍率能力的同時(shí)具備更長的循環(huán)壽命。

Assefa等通過HF侵蝕前驅(qū)體熱固性聚甲基氫硅氧烷（PHMS）-四甲基四乙烯基環(huán)四硅氧烷（TMTVS）得到SiOC氣凝膠，通過HF選擇性地去除材料中的硅氧團(tuán)簇使材料比表面積高達(dá)530 m2/g。

SiOC氣凝膠相比于主流石墨基鋰電池因其內(nèi)部大量的游離碳而具有更高鋰存儲容量，尤其是可用于更高速的充/放電電流條件下。并且SiOC氣凝膠由于其連續(xù)的、高比表面積的多孔結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)離子的快速擴(kuò)散，進(jìn)而具備出色電學(xué)響應(yīng)性能。

2.3 ZrC及其復(fù)合氣凝膠

ZrC作為一種高熔點(diǎn)、高硬度、高化學(xué)穩(wěn)定性的金屬碳化物，常應(yīng)用于超硬材料、表面涂層等領(lǐng)域，在制備過程中將其氣凝膠結(jié)構(gòu)化，可在保留ZrC本身優(yōu)良物理化學(xué)特性的前提下，實(shí)現(xiàn)材料的超級絕熱隔熱。

2013年，Ye等以聚鋯烯酮、二羥基苯甲酸及甲醛為前驅(qū)體，通過CO2超臨界干燥制備出含Zr的有機(jī)氣凝膠，再經(jīng)過碳化及碳熱還原反應(yīng)制得了ZrCO-C復(fù)合氣凝膠，材料中ZrC晶體作為抗氧化劑可大幅提升氣凝膠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，樣品的比表面積為589 m2/g。

2018年，Cui等采用溶膠-凝膠法結(jié)合碳熱還原，以ZrOCl2和RF為前驅(qū)體，制備出了一種新型的C-ZrO2-ZrC（ZrCO）三元復(fù)合氣凝膠，ZrCO復(fù)合氣凝膠生長機(jī)制如圖12所示，比表面積高達(dá)637 m2/g,復(fù)合碳纖維氈后樣品室溫?zé)釋?dǎo)率仍可低至0.057 W/（m·K）。

圖12 ZrO2-RF、ZrCO氣凝膠照片及ZrCO復(fù)合氣凝膠的生長機(jī)制示意

氮化物及其復(fù)合氣凝膠

氮化物氣凝膠是一種新型的無機(jī)氣凝膠，目前的研究主要集中在Si3N4氣凝膠和BN氣凝膠，還涉及了少量其他氮化物氣凝膠的研究，如C3N4氣凝膠和氮化釩（VN）氣凝膠。將氮化物材料制備成多孔氣凝膠結(jié)構(gòu)，將兼具氣凝膠與氮化物的優(yōu)異特性，這對于拓展氮化物材料的應(yīng)用具有十分重要的意義，但是國內(nèi)外對于氮化物氣凝膠的研究尚處于基礎(chǔ)階段，該類氣凝膠的研究仍有較大發(fā)展空間。

3.1 Si3N4及其復(fù)合氣凝膠

Si3N4 陶瓷于1859年被首次報(bào)道，Si3N4陶瓷被認(rèn)為是一種具有廣泛應(yīng)用前景的結(jié)構(gòu)陶瓷材料。Si3N4陶瓷具有耐腐蝕、抗熱震性好、耐高溫、密度低和熱膨脹系數(shù)低等良好的物理特性。氣凝膠作為一種具備三維納米結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)多孔材料，具有低密度、高比表面積、高孔隙率等特點(diǎn)，在吸附、催化、隔熱和阻抗耦合等方面具備廣闊的應(yīng)用前景。

Si3N4氣凝膠兼?zhèn)銼i3N4陶瓷和氣凝膠的優(yōu)良特性，在隔熱領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。Su等以自制的獨(dú)立式α-Si3N4納米帶（NBAs）氣凝膠紙為原料，通過簡便的局部熱壓處理工藝制備了密度可調(diào)的超輕α-Si3N4納米帶氣凝膠，該氣凝膠具有超低密度（可調(diào)密度低于10 mg/cm3）、高壓縮性和彈性、低力學(xué)耗能（耗能系數(shù)為0.37）、優(yōu)異的耐高溫性能（空氣氛圍中可耐 1200 ℃）和隔熱性能（熱導(dǎo)率為0.029 W/（m·K）），耐火性能測試如圖13所示，α-Si3N4氣凝膠優(yōu)異的性能使其成為具有多種功能的高性能隔熱材料，適用于惡劣環(huán)境。

圖13 α-Si3N4納米帶氣凝膠的耐火性能測試

Rewatkar等以壓縮聚脲（PUA）交聯(lián)SiO2干凝膠粉為原料，使用碳熱合成法成功制備了多孔的SiC和Si3N4氣凝膠。區(qū)別于傳統(tǒng)的干燥方法，Rewatkar等將濕凝膠粉末在環(huán)境溫度下真空干燥后得到了干凝膠粉末，將其置于合適的模具中振動沉降，并壓縮成不同形狀，然后分別在1500 ℃的Ar或N2的惰性流通氣氛下熱解將其轉(zhuǎn)變?yōu)闊釋?dǎo)率分別為0.163和0.070 W/（m·K）的SiC和Si3N4氣凝膠工件。

Kong等用溶膠-凝膠一步法制備了RF-SiO2氣凝膠（RFSA），然后在1500 ℃的N2氛圍下高溫?zé)崽幚碇苽淞藟K狀Si3N4氣凝膠，RF-SiO2氣凝膠和Si3N4氣凝膠生長機(jī)制示意圖如圖14所示，其生長機(jī)制與ZrCO氣凝膠相似。該塊狀氣凝膠具有較高的比表面積（445 m2/g）、較低的密度（0.127 g/cm3）和熱導(dǎo)率（0.049 W/（m·K））。

圖14 RFSA和Si3N4氣凝膠生長機(jī)制示意圖

Ding等以尿素為N源，采用溶膠-凝膠法結(jié)合碳熱還原法制備了塊狀Si3N4氣凝膠。Si3N4是以納米顆粒的形式組成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的塊狀氣凝膠，粒徑和孔徑均為20～40 nm,比表面積高達(dá)520 m2/g,通過不同溫度的熱處理，研究了Si3N4氣凝膠的形成過程及機(jī)制，即基于C、SiO2和N2之間的氣-固（VS）生長機(jī)制。

Yang等采用溶膠-凝膠法以及常壓干燥法制備了一種Si-Si3N4復(fù)合氣凝膠，該復(fù)合氣凝膠具有較低的熱導(dǎo)率（0.024～0.072 W/（m·K））、介電常數(shù)（1.55～1.85）和損耗正切（0.005～0.007）。隨著Si3N4含量的增加，復(fù)合氣凝膠的抗壓強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別從3.21和0.36 MPa增至12.05和2.45 MPa。Si-Si3N4復(fù)合氣凝膠在透波和保溫功能集成方面有很大的應(yīng)用前景。

3.2 BN及其復(fù)合氣凝膠

六方氮化硼（h-BN）是一種二維的納米片結(jié)構(gòu)，具有高導(dǎo)熱性和良好的電絕緣性，在潤滑劑、耐火材料、高溫高壓散熱部件和絕緣材料等領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注。將這種具有獨(dú)特光學(xué)、電學(xué)性能的2D材料做成3D網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)材料，可以擴(kuò)展BN材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

在水處理應(yīng)用方面，Song等在石墨烯-碳納米管復(fù)合氣凝膠的制備基礎(chǔ)上引入硼嗪為B和N源，在900 ℃條件下通過無催化劑的低壓CVD輔助模板法合成BN氣凝膠，該BN氣凝膠具有超高的比表面積（可達(dá)1051 m2/g），是常規(guī)CO2超臨界干燥技術(shù)制備的BN氣凝膠（350～431 m2/g）的2～3倍，質(zhì)量密度低至0.6 mg/cm3,遠(yuǎn)低于空氣密度，該氣凝膠具有優(yōu)異的吸油性能（吸收倍率可達(dá)160倍），而之前報(bào)道的多孔BN納米片的吸收倍率僅33倍。

通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以使BN氣凝膠具有良好的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，擴(kuò)寬其在極端環(huán)境下的應(yīng)用。Wang等采用簡單的冷凍干燥方法設(shè)計(jì)了一種輕質(zhì)、超彈性和高導(dǎo)熱的BN納米復(fù)合氣凝膠，所制備的氣凝膠由相互連接的二元無機(jī)-有機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成，具有低密度（6.5 mg/cm3）和優(yōu)異的壓縮、拉伸力學(xué)性能，同時(shí)，這種輕質(zhì)的超彈性氣凝膠具有良好的熱穩(wěn)定性和在寬溫度范圍（30～300 ℃）內(nèi)的高導(dǎo)熱性，在高溫環(huán)境下也能有效地應(yīng)用。

Li等通過對氫鍵組裝形成的三聚氰胺二硼酸酯前驅(qū)體進(jìn)行高溫胺化，制備了具有出色的壓縮/彎曲/扭曲彈性、耐切割性和可回復(fù)性的BN納米帶氣凝膠（圖15），從液氮溫度（-196 ℃）到高于1000 ℃的寬溫度范圍內(nèi)都保持了優(yōu)異的力學(xué)超柔韌性，為極端環(huán)境下的應(yīng)用提供了可能性。

圖15 BN納米帶氣凝膠在液氮和火焰中的柔韌性

Harley-Trochimczyk等用無毒、無害的反應(yīng)物合成了一種高比表面積、高結(jié)晶度的BN氣凝膠，在負(fù)載了Pt納米顆粒后，在氣敏方面有著良好的應(yīng)用。BN氣凝膠的高熱導(dǎo)率和低密度使得這種氣敏材料的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間比負(fù)載Pt納米顆粒的Al2O3材料快一個(gè)數(shù)量級（<2 s）。

Xu等以特殊設(shè)計(jì)的三維石墨烯為模板，采用CVD法合成了具有優(yōu)異熱穩(wěn)定性和力學(xué)穩(wěn)定性的h-BN氣凝膠（圖16），該氣凝膠是一種典型的陶瓷氣凝膠，因其特殊的雙曲線結(jié)構(gòu)，具有負(fù)泊松比（-0.25）和負(fù)熱膨脹系數(shù)（-1.8×10-6 ℃-1）特殊性質(zhì)。此外，陶瓷氣凝膠具有極低的密度和高達(dá)95%形變的超彈性，在極端環(huán)境下也具備出色的穩(wěn)定性，在劇烈熱沖擊（275 ℃/s）或1400 ℃下的強(qiáng)熱應(yīng)力后幾乎沒有強(qiáng)度損失。

圖16 h-BN氣凝膠的材料特性

Yang等采用溶膠-凝膠法制備了高溫隔熱的BN-SiOC復(fù)合氣凝膠。當(dāng)BN體積分?jǐn)?shù)從0增加到15%時(shí)，復(fù)合氣凝膠的抗壓強(qiáng)度從2.2 MPa增加到20.3 MPa,熱導(dǎo)率也從0.040 W/（m·K）增加到0.200 W/（m·K）。BN-SiOC復(fù)合氣凝膠具有納米級的孔隙結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有良好的熱穩(wěn)定性和優(yōu)異的力學(xué)性能，在高溫隔熱領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景。

3.3 C3N4及其復(fù)合氣凝膠

1989年，C3N4的結(jié)構(gòu)首次被揭開，從此開始了對這種材料制備方法、結(jié)構(gòu)性能與應(yīng)用方面的諸多研究。1996年，Teter等發(fā)現(xiàn)了C3N4的5種晶型結(jié)構(gòu)，其中，石墨相氮化碳（g-C3N4）是研究較多的晶型結(jié)構(gòu)，作為一種有機(jī)半導(dǎo)體材料，在催化領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。氣凝膠因其高比表的特點(diǎn)，在催化領(lǐng)域也有著較多的應(yīng)用。

C3N4氣凝膠兼具了兩者特點(diǎn)，學(xué)者們對它的研究也主要集中在催化領(lǐng)域。Qi等使用g-C3N4、羧甲基纖維素和β-環(huán)糊精制備了具有不同g-C3N4比例的碳-氮化物混合氣凝膠（GHA），該氣凝膠具備高孔隙率和大的比表面積。GHA氣凝膠在光降解和吸附方面表現(xiàn)出良好的協(xié)同作用，90 min羅丹明B（Rh B）的去除率高達(dá)97.99%,光照條件下GHA對羅丹明B的光催化降解機(jī)制如圖17所示，其中VB和CB分別為傳輸空穴的價(jià)帶和傳輸電子的導(dǎo)帶。

圖17 GHA氣凝膠光照條件下對于羅丹明B的光催化機(jī)制

在不借助強(qiáng)酸的情況下，Ou等以三聚氰胺和硫氰酸鉀為原料制備了C3N4納米粒子，隨后自組裝形成C3N4水凝膠，經(jīng)冷凍干燥制得C3N4氣凝膠。這種制備方法簡單，不需要任何有機(jī)-無機(jī)交聯(lián)劑，并且制備的氣凝膠具有優(yōu)異的物理性能，包括低密度、大比表面積以及出色的光催化活性，在吸附、催化和環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域都顯示出巨大的潛力。

Zhang等采用開環(huán)聚合法制備了一種摻雜C氣凝膠的3D-C3N4整體式氣凝膠。通過調(diào)整六官能苯并嗪單體（BZ）的熱固化行為，可以實(shí)現(xiàn)3D-C3N4整體式氣凝膠與C氣凝膠之間良好的電子接觸。這種氣凝膠具有超高的光反應(yīng)活性和熱穩(wěn)定性，為理解聚合物化學(xué)和光催化機(jī)制提供了新的理論。

Luo等采用水熱法合成了一種新型三維還原氧化石墨烯（rGO）/g-C3N4/AgBr氣凝膠。在這種三元復(fù)合體系中，g-C3N4納米片上的AgBr可以提高可見光的吸收率，rGO的引入不僅提供了一個(gè)快速的電子傳遞通道，而且形成了一個(gè)較為松散的三維多孔結(jié)構(gòu)，增加了比表面積，使入射光多次反射，促進(jìn)了光的吸收和反應(yīng)物的吸附?；谶@些協(xié)同作用，三元復(fù)合光催化劑表現(xiàn)出良好的光降解性能。這種三元復(fù)合氣凝膠對于甲基橙的去除率達(dá)到90%,相同條件下，較g-C3N4納米片有一定程度的提高，并且在降解4次后，仍然能保持一定的穩(wěn)定性，這說明了該復(fù)合光催化劑在污染物降解的實(shí)際應(yīng)用中具有良好的應(yīng)用前景。

在污水凈化方面，Yang等通過在棉纖維上原位熱解尿素制備了具有高度壓縮性和水下超疏油性的C/g-C3N4氣凝膠。這種氣凝膠表面具有一層密集覆蓋的g-C3N4納米粒子，使氣凝膠在水下對油和有機(jī)溶劑具有超疏油性。利用這種氣凝膠可以有效地凈化各種乳液、染料廢水以及它們的混合物，具有良好的可回收性。因此，C/g-C3N4氣凝膠在污水凈化領(lǐng)域具有極大應(yīng)用前景。

3.4 氮化釩氣凝膠

氮化釩（VN）作為一種過渡金屬氮化物，具有良好的導(dǎo)電性和電化學(xué)活性，是一種新型的超級電容器材料和電極材料?，F(xiàn)有VN材料主要是一維和二維材料。將VN納米材料做成氣凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以改善VN的電化學(xué)性能。

Wang等在NH3-Ar氣氛中，通過水熱合成法和氮化法制備了三維多孔VN納米氣凝膠（PVNNRAs），這種氣凝膠可以同時(shí)提供更多的電催化活性位點(diǎn)、快速的電子傳輸途徑、良好的電解質(zhì)擴(kuò)散通道，使得PVNNRAs電極具有較高的電催化活性，在全光照（AM 1.5, 100 mW/cm2）下，以PVNNRAs為對電極制備的染料敏化太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率為7.05%,此外，PVNNRAs電極在氧化還原電解液中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。因此，該三維多孔VN氣凝膠被認(rèn)為是替代Pt作為染料敏化太陽能電池電極的一種既經(jīng)濟(jì)又有效的方法。

聚合物基有機(jī)氣凝膠

聚合物基有機(jī)氣凝膠是以高聚物分子通過與膠體粒子之間以氫鍵或范德華力相結(jié)合而形成的具有多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物。1989年，Pekala等用間苯二酚（R）和甲醛（F）制備RF氣凝膠，標(biāo)志著有機(jī)氣凝膠的誕生。與傳統(tǒng)的無機(jī)氣凝膠相比，有機(jī)氣凝膠性能主要取決于聚合物種類，因此聚合物基有機(jī)氣凝膠具有靈活的設(shè)計(jì)性和性能可調(diào)性。

聚合物基有機(jī)氣凝膠主要有聚氨酯（PU）、聚脲（PUA）、聚酰亞胺（PI）等研究較多的聚合物基有機(jī)氣凝膠，隨著研究的深入還出現(xiàn)了間規(guī)聚苯乙烯（sPS）、聚間苯二胺（PmPD）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚酰胺（PA）、聚吡咯（pPy）等其他聚合物基氣凝膠的研究報(bào)道。

4.1 聚氨酯（PU）氣凝膠

聚氨酯（PU）是一種具有多孔性質(zhì)的泡沫材料，以其突出的吸聲、隔熱、高強(qiáng)性能受到各個(gè)領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注，又因?yàn)闅饽z可改變反應(yīng)單體及干燥條件故具有廣泛的研究價(jià)值。

PU氣凝膠最早于1998年由Biesmans等合成，以CH2Cl2為溶劑、芳香化異氰酸鹽（DNR）為反應(yīng)劑、1,4-二氮雜二環(huán)辛烷（DABCO）為催化劑成功合成了PU濕凝膠，并使用CO2超臨界干燥得到PU氣凝膠。當(dāng)異氰酸鹽與催化劑質(zhì)量比為50時(shí)制得的氣凝膠的熱導(dǎo)率為0.022 W/（m·K）。

PU氣凝膠的制備工藝參數(shù)改進(jìn)方面，Saadatnia等研究了催化劑的濃度及CO2超臨界干燥的參數(shù)條件對力學(xué)性能和熱力學(xué)性能的影響，從而確定孔結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性能最佳時(shí)的工藝條件。

分子設(shè)計(jì)方面，Bang等在分子尺度層面以降冰片烯、聚氨酯和丙烯酸酯為原料合成了新型PU氣凝膠，與傳統(tǒng)PU氣凝膠相比，該材料具有更大的比表面積、優(yōu)異的柔韌性和更優(yōu)異的力學(xué)性能。

Chidambareswarapattar等以剛性小分子單體為原料通過調(diào)節(jié)分子參數(shù)制備柔性氣凝膠，以無水溶劑促使分子間官能團(tuán)發(fā)生作用，引發(fā)自組裝獲得柔性PU氣凝膠，樣品及不同芳香族單體制備的柔性PU氣凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變特征曲線如圖18所示，該柔性PU氣凝膠具有良好的孔隙率、比表面積及顆粒尺度，熱導(dǎo)率為0.032 W/（m·K）。

POL—間苯三酚； HPE—1，1，1-三（羥基苯基）乙烷； RES—間苯二酚； SDP—磺酰二苯酚；BPA—雙酚A

圖18 柔性PU氣凝膠及其壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

4.2 聚脲（PUA）氣凝膠

聚脲（PUA）是由異氰酸酯組分與氨基類化合物作用形成的一種彈性有機(jī)聚合物，具有防濕、耐腐、耐磨等特征，常用作防撞材料。PUA氣凝膠以PUA為主體，不僅具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性及力學(xué)性能，還因其獨(dú)特的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)而在隔熱、隔聲和防輻射領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

科研人員發(fā)現(xiàn)改變制備PUA氣凝膠的原料種類和干燥方法，可有效提高PUA氣凝膠的孔隙率及隔熱性能。Leventis等利用異氰酸酯與水反應(yīng)的原理，以丙酮為溶劑，加入催化劑三乙胺（TEA）防止沉淀發(fā)生，制得高孔隙率（98.6%）的PUA氣凝膠。以這種方法制得不同密度（ρb）的PUA氣凝膠，其納米微觀結(jié)構(gòu)也將發(fā)生變化，如圖19所示，密度低時(shí)微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)纖維狀，密度高時(shí)微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)微粒狀。將制得的PUA氣凝膠經(jīng) 500 ℃熱解，得到產(chǎn)率為60%的C氣凝膠，可用于制作真空隔熱板。

圖19 不同密度PUA氣凝膠的SEM照片

Lee等在原有PUA氣凝膠基礎(chǔ)上加以創(chuàng)新，使用聚胺作為硬化劑，以TEA作為催化劑，在常溫常壓條件下，通過超臨界干燥獲得了高孔隙率、熱導(dǎo)率為0.032 W/（m·K）的PUA氣凝膠，通過正交試驗(yàn)得出了氣凝膠的熱導(dǎo)率與目標(biāo)密度有關(guān)的結(jié)論。

Weigold等研究了在單軸壓縮過程中PUA氣凝膠的力學(xué)性能與導(dǎo)熱性能的變化，PUA氣凝膠導(dǎo)熱性能的影響因素只和材料的密度有關(guān)，在不同力學(xué)載荷的作用下，相同密度的PUA氣凝膠所測出的熱導(dǎo)率基本相同，而其力學(xué)性能則受到載荷和密度變化的共同作用，并且該P(yáng)UA氣凝膠的物質(zhì)均一性對力學(xué)性能及熱導(dǎo)率影響巨大。

另外，PUA氣凝膠的多孔結(jié)構(gòu)致使其不易加工，針對這一問題，Bian等發(fā)現(xiàn)飛秒激光脈沖切割技術(shù)可以得到傳統(tǒng)切割方法得不到的優(yōu)異效果，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在切割束能量為6.36～8.90 J/cm2、掃描速率為3.5～4.0 （°）/s時(shí)可以得到高質(zhì)量的切割平面。

4.3 聚酰亞胺（PI）氣凝膠

聚酰亞胺（PI）因其內(nèi)部的芳香結(jié)構(gòu)而具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能，因其無毒、低介電常數(shù)和高絕緣性等優(yōu)點(diǎn)，常用于航空航天、鉆井勘探及氣體分離等領(lǐng)域。以PI為主體而制得的PI氣凝膠因其密度低、力學(xué)強(qiáng)度高和熱穩(wěn)定效果好而同樣具有廣泛的應(yīng)用前景。常見的PI制備方法有一步法和兩步法，PI氣凝膠也可采用相似的方法制得。

Chidambareswarapattar等以等摩爾的均苯四甲酸二酐（PMDA）和4,4′-二苯甲烷二異氰酸酯（MDI）為單體，分別通過一步法和兩步法得到了PI氣凝膠。兩種方法制得的PI氣凝膠具有相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)、相近的比表面積（300～400 m2/g）和類似的結(jié)晶度（30%～40%），但兩步法得到的PI氣凝膠微觀形貌為纖維狀而一步法得到的為顆粒狀。針對反應(yīng)條件、反應(yīng)溫度、副產(chǎn)物生成情況和收縮率等方面進(jìn)行綜合對比，得出制備PI氣凝膠時(shí)一步法優(yōu)于兩步法，但制得的PI氣凝膠仍具有收縮率較大的問題。

除此以外，Leventis等通過打開內(nèi)部芳香環(huán)使PI聚合得到自交聯(lián)型PI氣凝膠，通過一系列表征得出以這種方法制得的PI氣凝膠與兩步法制得的氣凝膠在性能方面大致相同。

Guo等使用八（氨基）-倍半硅氧烷（OAPS）為交聯(lián)劑，以過量的醋酸酐和吡啶代替原有的PMDA和MDI,在高溫條件下進(jìn)行反應(yīng)，制得的PI氣凝膠不但收縮率得以降低，還具有91%～92%的孔隙率、240～260 m2/g的比表面積、高達(dá)560 ℃的熱分解溫度，并且熱導(dǎo)率與SiO2氣凝膠相當(dāng)。

Meador等以1,3,5-三氨基苯氧基苯（TAB）為交聯(lián)劑，采用兩步法制得密度和介電常數(shù)都較低的PI氣凝膠（圖20），可應(yīng)用在汽車和飛機(jī)等交通工具上，實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)高效的目的。

圖20 以TAB為交聯(lián)劑制得的交聯(lián)型PI氣凝膠

4.4 其他聚合物基氣凝膠

4.4.1 間規(guī)聚苯乙烯（sPS）氣凝膠

間規(guī)聚苯乙烯（sPS）是含有多種納米尺度的多孔晶相聚合物，具有獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，可用于廢氣的回收以及作為催化劑載體，因此若將sPS制成氣凝膠，氣凝膠疏松多孔的結(jié)構(gòu)特征可為催化劑及廢氣提供催化及吸附位點(diǎn)以應(yīng)用于吸附等相關(guān)領(lǐng)域。

Daniel等將γ型sPS氣凝膠用液態(tài)氯仿浸泡12 h 后在40 ℃下CO2超臨界處理得到了ε型氣凝膠，并通過有機(jī)物吸附實(shí)驗(yàn)檢測氣凝膠的吸附能力。對于低分子量的有機(jī)物，ε型sPS氣凝膠的吸附能力略低于δ型；對于高分子量的有機(jī)物，ε型sPS氣凝膠則表現(xiàn)出良好的吸附能力，而δ型幾乎沒有吸附能力，這與ε型sPS氣凝膠獨(dú)特的“通道型”納米腔有關(guān)，其結(jié)構(gòu)如圖21所示。在有機(jī)物的濃度極低時(shí)，ε型sPS氣凝膠仍具有很高的吸附能力，對水溶液中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0001%的1,2-二氯乙烷（DCE）的吸附量為0.02 g/g,超過活性炭對DCE的吸附效果。因此，ε型sPS氣凝膠可作為有機(jī)物探測器來使用。

圖21 ε型間規(guī)聚苯乙烯氣凝膠微觀結(jié)構(gòu)

Longo等將sPS溶于GO分散液中制得濕凝膠并通過超臨界CO2萃取得到比表面積為240～290 m2/g、密度為0.02～0.2 g/cm3的堅(jiān)固整體式sPS/GO復(fù)合氣凝膠。由于瑞利散射使得制得的樣品呈藍(lán)色，表明其鏈段尺寸遠(yuǎn)小于光的波長，并且sPS/GO復(fù)合氣凝膠具有純聚合物氣凝膠的延展性，可以作為GO納米復(fù)合材料的原料。

4.4.2 聚間苯二胺（PmPD）氣凝膠

聚間苯二胺（PmPD）氣凝膠由于密集的孔狀結(jié)構(gòu)、超輕的密度及較強(qiáng)的氣體吸附能力在氣凝膠吸附領(lǐng)域具有應(yīng)用廣泛。

Song等將微球殼聚間苯二胺表面基團(tuán)進(jìn)行交聯(lián)，冷凍干燥后制得PmPD氣凝膠。該氣凝膠在制備過程中經(jīng)過微球殼沉積、退火處理而具有多孔結(jié)構(gòu)且表面具有疏水性基團(tuán)，其密度為0.8 mg/cm3,比表面積為338 m2/g,25 ℃熱導(dǎo)率為0.013 W/（m·K），吸附量為837～1986 g/g,并可循環(huán)使用。

Chen等用聚乙烯醇（PVA）和GO對PmPD氣凝膠進(jìn)行改性得到GO-PmPD-PVA氣凝膠，該氣凝膠在水溶液中具有穩(wěn)定的力學(xué)性能，且對Ag（I）的最大吸附量為917.41 mg/g,對甲基橙和剛果紅等染料也具有很強(qiáng)的吸附能力，同時(shí)該氣凝膠成本較低，可以在溶液中進(jìn)行分離，有效防止了二次污染，因而具有巨大的潛力，可用于回收Ag和去除廢水中染料。

4.4.3 聚偏二氟乙烯（PVDF）氣凝膠

聚偏二氟乙烯（PVDF）由于含有疏水結(jié)構(gòu)而具有生物相容性，可以被廣泛應(yīng)用于制藥及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，因此使用PVDF為主體制備的PVDF氣凝膠仍然具有生物相容性，進(jìn)而可在生物醫(yī)藥方面得以應(yīng)用。

Cardea等通過超臨界干燥制備出搭載藥物的PVDF氣凝膠，經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出藥物只是在凝膠骨架上形成附著涂層，對凝膠的形成并無影響。該實(shí)驗(yàn)為搭載藥物的復(fù)合材料提供了研究思路和方法。

Zhang等以N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）和乙醇為原料，使用溶膠-凝膠法及超臨界干燥工藝制成PVDF氣凝膠，PVDF氣凝膠微觀表征顯示出團(tuán)聚現(xiàn)象并留有微米級空隙的分層結(jié)構(gòu)，比表面積為54 m2/g、熱導(dǎo)率為0.036 W/（m·K），且能在環(huán)境溫度達(dá)400 ℃時(shí)保持熱穩(wěn)定，有望在潮濕條件中作為隔熱材料使用。

4.4.4 聚酰胺（PA）氣凝膠

聚酰胺（PA）氣凝膠由于介電常數(shù)等性能與PI基氣凝膠相似，但其制備成本更為低廉、原料易得。

Williams等以PA低聚物為主體、1,3,5-苯三羰基-三氯化物（BTC）為交聯(lián)劑，通過超臨界干燥得到PA氣凝膠。相比于其他類型的氣凝膠，該P(yáng)A氣凝膠具有較低的介電常數(shù)，當(dāng)密度為0.06 g/cm3時(shí)，其介電常數(shù)僅為1.15。

He等以三聚氰胺為交聯(lián)劑、間苯二甲酰氯為主體通過溶膠-凝膠法和CO2超臨界干燥得到PA氣凝膠，該方法制備時(shí)單體過度活躍，造成粒子之間相互作用劇烈，骨架過厚甚至結(jié)成簇團(tuán)，中孔數(shù)量驟減，比表面積下降。

Mi等將PA氣凝膠的納米纖維墊與PI氣凝膠薄膜復(fù)合放在墊片與集電器之間制成了摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENGs，結(jié)構(gòu)如圖22所示），通過改變PI-PA的層數(shù)以改變產(chǎn)生電流的能力，從而得到最佳材料厚度， 2 cm2有效器件尺寸的TENGs在30 kPa壓力下可獲得115 V的高輸出電壓和9.5 μA的電流。在4.7 MΩ外部負(fù)載下，峰值功率密度達(dá)到1.84 W/m2。

圖22 由PA納米纖維墊和PI氣凝膠薄膜制成的TENGs的示意圖

4.4.5 聚吡咯（pPy）氣凝膠

聚吡咯（pPy）因優(yōu)異的電磁吸收效應(yīng)及低填充譜帶而受到廣泛關(guān)注，因此業(yè)界專家期望使用pPy材料制成pPy氣凝膠以獲得更優(yōu)異的電磁吸收效應(yīng)及更低的填充譜帶性能。

Xie等以Fe（NO3）3氧化吡咯單體合成了具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的超輕pPy氣凝膠（密度約8 mg/cm3），pPy氣凝膠的制備過程如圖23所示，該氣凝膠骨架由微米級和納米級的pPy片晶構(gòu)成，具有聯(lián)合纏繞的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。骨架的孔洞使得材料具有超輕的密度并具有良好的電磁吸收能力，將其與石蠟復(fù)合制備電磁吸收材料，當(dāng)pPy的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，具有最大的吸收帶寬（6.2 GHz）。

圖23 三維pPy氣凝膠的制備過程

Li等使用Xie等的制備方法將制得的超彈性pPy制成水性鋅離子電池的多孔柔性陰極（結(jié)構(gòu)如圖24所示）以解決鋅離子電池由于高內(nèi)阻而導(dǎo)致倍率性能下降的問題。制成的pPy柔性電極具有1.5 Ω/cm2的超低內(nèi)阻，并且在64.0 W·h/kg的能量密度下，水性鋅離子電池具有11.7 kW/kg的高功率密度，優(yōu)于其他水性電池和超級電容器。同時(shí)鋅離子電池具有良好的柔韌性，在1000次彎曲后仍可保持80.3%的容量?？蓱?yīng)用于快充的可穿戴電子設(shè)備中。

圖24 pPy氣凝膠SEM照片

Yu等使用氧化聚合和冷凍干燥技術(shù)得到三維pPy氣凝膠，可作為輕質(zhì)吸收劑使用，其密度為54～61 mg/cm3,50%形變的力學(xué)強(qiáng)度為15.4～18.7 kPa。在2 mm的厚度下，14 GHz時(shí)最小反射損耗（RL）可達(dá)-55 dB,有效帶寬（RL≤-10 dB,90%吸收）為5.5 GHz,具有優(yōu)異的微波吸收性能。綜合來看，pPy氣凝膠優(yōu)異的磁性能可使其在磁性領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。

石墨烯氣凝膠

石墨烯作為碳材料家族的一員，無疑是近年來最受關(guān)注的材料之一，自2004年被首次發(fā)現(xiàn)以來，憑借其超高比表面積（2600 m2/g）等優(yōu)異性能，在眾多領(lǐng)域中有著巨大的應(yīng)用潛能。石墨烯氣凝膠（GA）又稱石墨烯泡沫、石墨烯海綿或者石墨烯宏觀結(jié)構(gòu)體。除了具有C氣凝膠的一系列優(yōu)異特性外，GA還因構(gòu)筑單元優(yōu)異的理化性能而具備大孔結(jié)構(gòu)和超彈性等獨(dú)特性能，進(jìn)而成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。

5.1 GA制備方法

GA制備方法種類繁多，但大多以氧化石墨烯（GO）為原料進(jìn)行制備。由于GO片層上含有大量的含氧官能團(tuán)，所以能在水相中均勻存在，且在一定條件下可組裝成水凝膠，然后經(jīng)超臨界干燥或者冷凍干燥制成氣凝膠材料。目前， GA的制備方法主要有原位組裝法、誘導(dǎo)組裝法、模板法、化學(xué)交聯(lián)法和3D打印技術(shù)。

5.1.1 原位組裝法

原位組裝法是最早成功制備GA的方法，主要包括水熱還原法、化學(xué)還原法和電化學(xué)法等。

Xu等發(fā)現(xiàn)GO水溶液發(fā)生水熱反應(yīng)，當(dāng)GO質(zhì)量濃度>1 mg/mL時(shí)，GO的含氧官能團(tuán)會發(fā)生脫離，片層間接觸進(jìn)而連接成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。pH對水熱還原法制備GA的影響較大，Bi等通過滴加氨水和鹽酸來調(diào)節(jié)GO水溶液的酸堿性，當(dāng)pH約為10時(shí)，制得的GA具有最高的電導(dǎo)率（7.6 S/cm）和力學(xué)強(qiáng)度（361 MPa,相當(dāng)于傳統(tǒng)石墨制品的6倍）。

不同于水熱還原法，化學(xué)還原法利用添加還原劑來實(shí)現(xiàn)GO的原位組裝，因此選擇合適的還原劑至關(guān)重要。

Hu等采用水合肼還原GO并通過微波輻射消除大部分官能團(tuán)，制備了具有超輕密度和高壓縮性的GA,最低密度低至3 mg/cm3,在90%以上的壓縮形變后仍能完全恢復(fù)，具有良好的回彈性。

Zhang等則利用抗壞血酸還原GO,通過超臨界干燥或者冷凍干燥制得的GA具有優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度和高達(dá)128 F/g的比電容，可作為電極材料應(yīng)用。除此之外，NaHSO3、HI和對苯二酚等無機(jī)、有機(jī)還原劑都能在一定條件下還原GO,制得的GA會因還原劑的不同而出現(xiàn)性能上的差異。

電化學(xué)法也能實(shí)現(xiàn)GO的原位組裝，在外加電場的作用下，GO因?yàn)樽陨淼膸щ娞匦远陉帢O附近富集，從而實(shí)現(xiàn)還原及原位組裝。Li等在3 mg/mL的GO水溶液中加入1 mol/L的高氯酸鋰（LiClO4），在1.2 V的外電場作用下，GO被還原且在金電極表面富集并組裝成厚度約為30 μm的具有三維互穿網(wǎng)絡(luò)的GA。

5.1.2 誘導(dǎo)組裝法

誘導(dǎo)組裝法是通過外界的誘導(dǎo)作用打破GO水溶液原有的平衡狀態(tài)，使其重新達(dá)到一個(gè)能組裝成氣凝膠結(jié)構(gòu)的新平衡狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)這一過程的誘導(dǎo)因素有很多：Zamani 等通過冰分離誘導(dǎo)GO在冰晶周圍富集并組裝成具有有序大孔的GA,對水溶液中亞甲基藍(lán)（MB）的最大吸附量達(dá)到416.7 mg/g,表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附性能。

He等利用γ線照射GO水溶液，誘導(dǎo)其還原并自組裝，制備出疏水親油性較強(qiáng)的還原氧化石墨烯（rGO）氣凝膠。

Wang等將GO納米片分散在叔丁醇和水的混合溶液中，發(fā)現(xiàn)γ線輻射后的叔丁醇-水混合溶液中生成了醇自由基，進(jìn)而還原GO并使其羥基化，當(dāng)溶液pH<2時(shí)，羥基化的GO將自組裝成GA,圖25為高能輻射下GO在強(qiáng)酸性醇-水混合溶液中的自組裝機(jī)制示意圖。

圖25 γ線誘導(dǎo)自組裝制備GA

5.1.3 模板法

模板法是將石墨烯附著在模板上并進(jìn)行自組裝，隨后去除模板得到具有連續(xù)結(jié)構(gòu)的GA。目前，模板法主要分為兩類：①基于納米微球和泡沫的硬模板法；②基于乳液的軟模板法。

Ren等將聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷三嵌段共聚物（P123）作為模板，將GO在其表面組裝后，經(jīng)真空干燥和550 ℃熱處理去除模板，制備流程見圖26,制得具有可控的多層多孔結(jié)構(gòu)的GA,對MB、油和有機(jī)溶劑的吸附性能均優(yōu)于傳統(tǒng)方法制備的氣凝膠。

圖26 P123模板法制備GA

Chen等以泡沫鎳為模板，采用CVD法直接合成了具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的GA,這種方法制得的GA的電導(dǎo)率遠(yuǎn)高于其他方法制得的GA,且具有優(yōu)異的力學(xué)性能。

Li等將GO水溶液滴入聚甘露醇油酸酯與聚氧乙烯蓖麻油混合的甲苯混合乳液中，制備了水/油/水的多元乳液，并用肼還原GO,經(jīng)冷凍干燥和熱處理去除模板，獲得了具有微膠囊狀結(jié)構(gòu)、高電導(dǎo)率（3250 S/m）、大比表面積（1253 m3/g）和多孔結(jié)構(gòu)的GA。

此外，氣泡也可以作為模板來制備GA。Yang等在GO的溶膠-凝膠過程中加入可發(fā)泡表面活性劑，并以其產(chǎn)生的微氣泡為模板，經(jīng)過簡單的冷凍干燥后，制得具有高達(dá)99%的壓縮應(yīng)變和低至2.8 mg/cm3的超低密度的GA塊體。

5.1.4 化學(xué)交聯(lián)法

無論是原位組裝法、誘導(dǎo)組裝法還是模板法，這些方法都是利用范德華力將石墨烯片層結(jié)合在一起，化學(xué)交聯(lián)法是通過化學(xué)鍵交聯(lián)石墨烯片層，在一定程度上改變氣凝膠結(jié)構(gòu)和性能。

Worsley等以間苯二酚（R）和甲醛（F）作為交聯(lián)劑，在催化劑的作用下，甲醛和間苯二酚和GO片層上的—OH和—COOH反應(yīng)，從而連接成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖27）。由于石墨烯片層之間是通過共價(jià)鍵連接，因此制備的GA的電導(dǎo)率（σ約為100 S/m）要比物理交聯(lián)的高出2個(gè)數(shù)量級（物理交聯(lián)的電導(dǎo)率約為0.5 S/m）。

圖27 甲醛和間苯二酚化學(xué)交聯(lián)法制備GA

Huang等以La3+和聚乙酰亞胺（PEI）為交聯(lián)劑，通過超臨界干燥制得比表面積高達(dá)850 m2/g的GA,并顯示出優(yōu)異的力學(xué)性能（彈性模量高達(dá)20 MPa,屈服強(qiáng)度為1 MPa,比能量吸附為45 J/g）和超高的化學(xué)活性，可用來吸附H2S、HI和SO2等還原性氣體。

Xiao等將甲基三乙氧基硅烷（MTES）通過CVD的方式進(jìn)入GA中，使其起到交聯(lián)改性的作用，改性后的GA具有超低密度（0.35 mg/cm3）、超高壓縮應(yīng)變（99.5%）和超高有機(jī)液體吸附量（>1000 g/g）。

5.1.5 3D打印技術(shù)

GA的制備方法十分多樣，除了上述的4種方法之外，3D打印GA無疑是十分新穎的一種制備方式。Zhu等對GO水溶液進(jìn)行改性，通過添加黏結(jié)劑和調(diào)節(jié)pH的方式，使其成為可以打印的墨水，然后利用直接噴墨打印技術(shù)制備了GA,這為GA的制備開辟了一條新的思路。Zhang等對GA的3D打印技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，將按需噴墨和冷凍澆鑄相結(jié)合，打印的GA具有超低的密度（0.5～10 mg/cm3）和顯著的電導(dǎo)率（約15.4 S/m）。

5.2 GA的應(yīng)用

獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、豐富的孔隙、較高的比表面積、良好的導(dǎo)電性以及優(yōu)異的力學(xué)性能等特點(diǎn)使GA在能源儲存和轉(zhuǎn)化、吸附催化和傳感等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

5.2.1 GA用作電極材料

GA優(yōu)異的導(dǎo)電性以及較高的比電容，使其在電化學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用。目前GA在電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用已拓展到二次電池、燃料電池和超級電容器等諸多方面。Wang等利用抗壞血酸還原和水熱還原相結(jié)合的方法，將超長Fe3O4納米線嵌入到GA的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，在2000 mA/g的電流密度下充放電容量為557 mA·h/g,在200 mA/g的電流密度下循環(huán)100次后仍有900 mA·h/g的充放電容量，表現(xiàn)出良好的循環(huán)性能和倍率性能。

Gao等采用先進(jìn)的氣相重分布技術(shù)，將紅磷納米粒子（粒徑為10～20 nm）均勻分布在碳包覆GA基體上，形成具有三維多孔結(jié)構(gòu)的碳-紅磷-GA復(fù)合材料（C@P/GA），在2600 mA/g的電流密度下循環(huán)200次后，材料仍可提供高達(dá)1095.5 mA·h/g的充放電容量。

燃料電池主要依靠燃料的氧化還原反應(yīng)來發(fā)電，通過將Ni、Pt等金屬及其氧化物催化劑負(fù)載在GA上，利用氣凝膠和催化劑的協(xié)同耦合作用可顯著提高催化活性。Tsang等將金屬Pd和Pt的納米粒子負(fù)載在GA上，并直接作為堿性乙醇燃料電池的電極，在最佳燃料濃度下，當(dāng)Pd與Pt摩爾比接近1時(shí)，電極在室溫下輸出的功率密度達(dá)到3.6 mW/cm2。

目前，貴金屬催化劑依舊是燃料電池的主要催化劑，不可避免地存在價(jià)格高昂、環(huán)境污染等問題，因此非金屬催化劑逐漸成為研究的熱點(diǎn)。Yang等采用一步水熱法合成了石墨烯-活性炭氣凝膠（GA-AC）復(fù)合材料，材料較高的比表面積（758 m2/g）和大量的多尺度孔使得起始電位從0.68 V正移到0.83 V,電子轉(zhuǎn)移數(shù)從2.85增加到3.52,表現(xiàn)出巨大的電極材料應(yīng)用潛力。

超級電容器作為能源儲存和轉(zhuǎn)化的另一種器件，GA在其中也有著廣泛的應(yīng)用。Qiu等以Na2SO4水溶液為電解液，MnO2-rGO復(fù)合氣凝膠和rGO氣凝膠為正負(fù)電極，構(gòu)建了不對稱超級電容器，這種電容器的最大能量密度為18.2 W·h/kg,功率密度達(dá)到400 W/kg,循環(huán)穩(wěn)定性也十分優(yōu)異。

Lv等將聚苯胺（PANI）沉積到超彈性GA中，在保持超彈性的同時(shí)提高比電容，組裝成電極后的比電容達(dá)到424 F/g,90%的壓縮應(yīng)變下的質(zhì)量電容保持率高達(dá)96%,遠(yuǎn)高于其他可壓縮復(fù)合電極。

Wei等利用B和N共同改性了具有超彈性的活性GA（圖28），該材料在0.25 A/g的電流密度下具有336 F/g的高比電容，且在47.25 W/kg的功率密度下具有13.99 W·h/kg的能量密度，即使在2000次循環(huán)后也具有90.74%的比電容保持率。

圖28 B和N共摻雜GA的結(jié)構(gòu)和性能示意圖

此外，GA還可作為電容去離子（CDI）的電極材料來淡化海水。Luo等利用電紡聚丙烯腈（s-PAN）交聯(lián)GO（PG）片層，隨后碳化制得GA-C復(fù)合氣凝膠（圖29），材料在500 mg/L的NaCl溶液中的電吸附量達(dá)到15.7 mg/g且100次循環(huán)后表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。

Ma等對石墨烯水凝膠（GH）和GA這兩種材料的脫鹽性能進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)在2 V的電壓下，GH和GA在500 mg/L的NaCl溶液中的電吸附量分別為49.34和45.88 mg/g,造成這種差異的原因可能是水凝膠中水起到了支撐和傳遞的作用，GH顯示出更加優(yōu)異的性能。

圖29 聚丙烯腈交聯(lián)GA-C氣凝膠的結(jié)構(gòu)和性能示意圖

5.2.2 GA用作吸附劑

GA具有可調(diào)節(jié)的三維網(wǎng)絡(luò)、高比表面積、優(yōu)異的化學(xué)/熱穩(wěn)定性、顯著的柔韌性和高彈性以及極高的表面疏水/親油性，在吸附領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。Liu等采用明膠還原GO,制得的GA對羅丹明B（Rh B）、亞甲基藍(lán)（MB）和甲紫（GV）具有良好的吸附性能，室溫下單層吸附量為280.8 mg/g。

Lai等采用冰模板法制備了殼聚糖-GA用以吸附偶氮染料間苯二酚黃（MY），最高吸附量可達(dá)430.99 mg/g,且可再生并重復(fù)使用5個(gè)循環(huán)。Huang等采用乙二胺和氨水通過水熱還原法合成了GA,對純柴油的吸附量為130.10 g/g,對含油污水中乳化油的連續(xù)處理容量達(dá)到71.67 g/g,吸附效率明顯高于常規(guī)吸附劑。

GA還可負(fù)載一些吸附劑，通過協(xié)同作用增強(qiáng)吸附效果，用以去除重金屬離子，氣凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有利于重金屬離子的快速擴(kuò)散，為吸附劑提供了豐富的吸附位點(diǎn)。

Chen等將N,N,N′，N′-四辛基二乙醇酰胺（TODGA）浸漬在GA中，用以去除水溶液中的釷（Th）元素，測試發(fā)現(xiàn)在3 mol/L的HNO3 溶液中最大吸附量可以達(dá)到66.8 mg/g（圖30）。

圖30 TODGA-GA復(fù)合氣凝膠的結(jié)構(gòu)和性能示意圖

Li等以真菌作為GO組裝的模板，成功制備了具有宏觀形貌、多孔性和大比表面積（894 m2/g）的GA，將GA用于去除U（Ⅵ），在pH約為5的水溶液中，對U（Ⅵ）的最大吸附量為288.64 μg/g。

Yu等將多孔Fe2O3納米立方體浸漬到多孔GA中，用以吸附廢水中的As,As（III）和As（V）的最大吸附量分別達(dá)到172.27和217.34 mg/g,且達(dá)到吸附平衡的時(shí)間分別為30 和5 min,表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附性能。

此外，GA在氣體吸附領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用。Ma等將碳納米管引入氨基功能化的GA中，用以吸附室內(nèi)空氣中的甲醛，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.7×10-6 的甲醛溶液中，材料吸附飽和時(shí)間延長到20300 min/g。Han等將多孔GA與熱脫附氣相色譜-質(zhì)譜法結(jié)合用于從空氣樣品中檢測并吸附沙林毒劑（圖31），沙林回收率為69.5%～96.2%,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于9.6%。Oh等制備了可重復(fù)使用且能選擇性捕獲CO2 的碳氮化物官能化的多孔GA,通過誘導(dǎo)偶極相互作用可以選擇性捕獲CO2 （0.43 mmol/g）且通過簡單的變壓仍能使98%的CO2 解吸。

圖31 多孔GA的結(jié)構(gòu)和對沙林毒氣吸附性能示意圖

5.2.3 GA用于傳感器中

GA具有良好的導(dǎo)電性，可控三維納米結(jié)構(gòu)有利于多維變形響應(yīng)，適用于制備各種傳感器。Dragoman等通過磁控濺射的方法將SnO2或GaN負(fù)載到GA上并制成壓力傳感器，納米SnO2或GaN修飾可以提高氣凝膠的壓阻響應(yīng)，傳感器的平均靈敏度為5.6×10-4 kPa-1 （5 V電壓下）且壓力傳感范圍為101.325～506.625 kPa。

Alizadeh等將硫脲處理的GA用作NH3傳感器，傳感器對NH3的響應(yīng)時(shí)間很短（100 s），在NH3體積分?jǐn)?shù)為2×10-8～8.5×10-5 時(shí)呈線性關(guān)系，環(huán)境溫度下完全可逆（恢復(fù)時(shí)間約為500 s）。

Yan等將WS2與GA復(fù)合后制成NO2 傳感器，研究不同溫度和濕度對傳感器性能的影響（圖32），在室溫下，濕度有助于增強(qiáng)傳感器對NO2的響應(yīng)和恢復(fù)，且升溫到180 ℃的寬濕度范圍內(nèi)（0～60%），設(shè)備的NO2的感測性能仍能保持穩(wěn)定，對NO2具有出色的選擇性檢出范圍（1.0×10-8～1.5×10-8 ）。Ma等將MXene（Ti3C2Tx）與GA進(jìn)行復(fù)合，利用其壓敏特性制成了一種基于超輕和超彈性氣凝膠的壓阻式傳感器，這種傳感器具有極高的靈敏度（22.56 kPa-1），快速的響應(yīng)時(shí)間（<200 ms）以及在10000次循環(huán)后仍具有良好的穩(wěn)定性，而且還可以很容易地捕捉到10 Pa以下的信號，表現(xiàn)出優(yōu)越的性能。

圖32 WS2-GA復(fù)合氣凝膠的形成和結(jié)構(gòu)示意圖

5.2.4 其他應(yīng)用

除了上述的幾種應(yīng)用外，GA還有著無限的應(yīng)用前景等待研究人員繼續(xù)探索。如Liu等將Ag納米線作為交聯(lián)劑制備Ag納米線-GA復(fù)合氣凝膠，這種氣凝膠除了具有比純相GA更高的力學(xué)強(qiáng)度（42 kPa,相當(dāng)于純相GA的35倍）外，還具有高達(dá)45.2 dB的高電磁干擾（EMI）屏蔽性能，有望成為一種具有高力學(xué)強(qiáng)度和電磁屏蔽性能的納米復(fù)合材料。此外，氣凝膠極低的熱導(dǎo)率使其成為目前保溫隔熱性能最好的固體材料，GA也不例外。

Yue等將定向纖維作為通道墻壁，然后將N摻雜石墨烯片沿面內(nèi)方向?qū)R，制成具有取向性的GA,這種氣凝膠不僅顯示出比其平面內(nèi)熱導(dǎo)率（44.9～55.1 mW/（m·K））低的厚度方向熱導(dǎo)率（26.6～29.8 mW/（m·K）），而且300℃熱處理后，整個(gè)平面的熱導(dǎo)率低至23.3 mW/（m·K）。

量子點(diǎn)氣凝膠

量子點(diǎn)（QDs）是一種半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)，也叫半導(dǎo)體量子點(diǎn)，大多由一定數(shù)量的 I-IV 族原子聚集為化合物而成，其主要分布如表1所示。QDs能夠在三維空間上束縛激子，其尺寸小于激子波爾半徑的兩倍，一般為球形或類球形。QDs材料的發(fā)射波長為350～600 nm,按發(fā)射波長可分為3類：350～400 nm藍(lán)光量子點(diǎn)、450～550 nm綠光量子點(diǎn)和550～600 nm紅光量子點(diǎn)。由于具有良好的光學(xué)性質(zhì)，QDs發(fā)射峰較窄、吸收峰寬、發(fā)光效率高且發(fā)光性能穩(wěn)定，因此，在光電、催化和生物等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

氣凝膠是一種具有低密度、高比表面積的三維網(wǎng)狀多孔材料，與納米材料相比，其特殊的結(jié)構(gòu)能顯著提高材料特性。將QDs引入氣凝膠，能夠得到既具備QDs良好光學(xué)、催化性能，同時(shí)具備氣凝膠吸附、傳感、隔熱保溫等特性的量子點(diǎn)氣凝膠。量子點(diǎn)氣凝膠作為一種新興技術(shù)材料，其優(yōu)異的性能將迅速成為研究熱點(diǎn)。下面將從催化、傳感、電池、生物成像以及熒光等應(yīng)用領(lǐng)域分別介紹量子點(diǎn)氣凝膠的研究現(xiàn)狀。

表1 主要量子點(diǎn)的元素周期族系分布

6.1 催化領(lǐng)域

石墨烯量子點(diǎn)氣凝膠（GQDAs）和金納米顆粒（Au NPs）是最重要的傳感材料，被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)中。與經(jīng)典GA不同，GQDAs由具有豐富官能團(tuán)的石墨烯片層結(jié)構(gòu)組成，這些基團(tuán)可以使GQDAs在催化、分子識別和與其他物質(zhì)的復(fù)合等方面具有優(yōu)異性能。Chu等將摻雜納米金的谷氨酸功能化石墨烯量子點(diǎn)氣凝膠（Glu-GQD@Au）作為電化學(xué)適配傳感器中的氧化還原探針（圖33），用來檢測蔬菜中的啶蟲脒。

圖33 用于檢測啶蟲脒的適配傳感器制備方案

利用光催化技術(shù)光解水生成氫和氧是量子點(diǎn)氣凝膠解決能源危機(jī)的有效手段之一。在量子點(diǎn)氣凝膠中，光子被吸收后將激發(fā)電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，在價(jià)帶頂中留下空穴，產(chǎn)生的光生電子-空穴對將遷移到量子點(diǎn)氣凝膠表面的催化活性位點(diǎn)，可以使水轉(zhuǎn)化為H2和O2。

Wang等將CuO量子點(diǎn)原位負(fù)載于TiO2氣凝膠中用作助催化劑，制備過程見圖34。CuO-TiO2異質(zhì)量子點(diǎn)氣凝膠表現(xiàn)出較高的光催化性能，對H2的析出速率約為0.04 mmol/h,是純TiO2納米片的20倍。

圖34 CuO-TiO2光催化劑的制備過程示意圖

Jamila等利用GO、N摻雜碳量子點(diǎn)（NCQDs）和 WO3 納米片組合形成一種有效的可見光催化劑WO3-GO-NCQDs氣凝膠，該催化劑可降解86%的MO染料。從圖35中可知，可見光照射導(dǎo)致WO3 中產(chǎn)生了電子-空穴對（Eg=2.8 eV），加入石墨烯后，WO3 的帶隙從2.8 eV減小到2.5 eV,促進(jìn)了能帶中的電子遷移，從而提高了光催化性能。因此，量子點(diǎn)氣凝膠中存在的載流子躍遷后形成的電子-空穴對能夠進(jìn)一步改善半導(dǎo)體材料的催化性能，提高催化效率。

圖35 WO3-GO-NCQDs三元復(fù)合光催化劑降解有機(jī)染料的機(jī)制示意圖

6.2 在生物成像中的應(yīng)用

定量測量核酸和蛋白質(zhì)含量在臨床疾病檢測和基礎(chǔ)分子生物學(xué)中起著重要作用。在生物分子檢測方面，量子點(diǎn)氣凝膠與有機(jī)染料和熒光蛋白相比具有許多優(yōu)勢。Le等合成了一種孔徑<10 nm（小于抗體）的量子點(diǎn)氣凝膠（圖36），通過點(diǎn)擊化學(xué)（Click chemistry）將它們連接到單克隆抗體上，可用于偶聯(lián)物的表征以及細(xì)胞抗原的標(biāo)記。

圖36 緊密量子點(diǎn)與抗體綴合示意圖及其在細(xì)胞的免疫熒光標(biāo)記中的用途

Hu等將葡萄糖氧化酶（GOx）包埋于量子點(diǎn)氣凝膠，制備出一種基于微芯片的光學(xué)傳感器，用于定量檢測葡萄糖水平。圖37描繪了通過半胱氨酸量子點(diǎn)與葡萄糖氧化酶自組裝形成的發(fā)光量子點(diǎn)氣凝膠的制備過程以及葡萄糖的監(jiān)測機(jī)制。綜上可以發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)免疫熒光技術(shù)相比，量子點(diǎn)氣凝膠在生物成像領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

圖37 基于CdTe-GOx 的葡萄糖檢測機(jī)制的氣凝膠微流控芯片

6.3 儲能電極

量子點(diǎn)氣凝膠優(yōu)良的穩(wěn)定性使其在儲能電極裝置中存在研究價(jià)值。Li等利用CuS量子點(diǎn)改性C氣凝膠作為高性能鋰硫電池中多硫化鋰的固定劑。如圖38所示，由于CuS量子點(diǎn)和分層介孔碳的協(xié)同作用，有效地抑制了充電/放電過程中的S損失，從而能夠提高鋰硫電池電極容量和循環(huán)穩(wěn)定性。該材料在0.2倍率的電流下能夠達(dá)到1318 mA·h/g的初始容量，并在100次循環(huán)后繼續(xù)保持1073 mA·h/g的容量值。

圖38 鋰插入和萃取過程中CuS-n/CA-S的形成和電化學(xué)過程的示意圖

Wang等將SnO2量子點(diǎn)-GA復(fù)合氣凝膠作為鈉離子電池的負(fù)極材料，這種三維GA不僅可以充當(dāng)Na+和電子快速傳輸?shù)膶?dǎo)電基質(zhì)，還可以提供雙重保護(hù)，防止循環(huán)過程中SnO2量子點(diǎn)的聚集以及產(chǎn)生體積的變化。

Lv等利用間苯二酚和甲醛的溶膠-凝膠聚合法原位組裝碳量子點(diǎn)，熱解后形成碳量子點(diǎn)氣凝膠，0.5 A/g電流密度時(shí)的比電容為294.7 F/g,是不含碳量子點(diǎn)氣凝膠電容器的20倍，并且1000次充放電測試后仍具有良好的循環(huán)性能。將碳量子點(diǎn)氣凝膠的儲電能力與其他典型的碳質(zhì)材料進(jìn)行對比，由表2可見碳量子點(diǎn)氣凝膠具有良好的電性能。

表2 不同超級電容器材料的電性能對比

6.4 熒光材料

量子限制效應(yīng)是量子點(diǎn)熒光的起源，是一種將納米粒子加入三維聚合物網(wǎng)絡(luò)中以提供納米特性的宏觀支架，在量子限制效應(yīng)作用下，可以保持材料的穩(wěn)定性。迄今為止的量子點(diǎn)材料研究中，碳量子點(diǎn)和石墨烯量子點(diǎn)由于其化學(xué)惰性、低毒性、親水性和光穩(wěn)定性而引起關(guān)注，在太陽能電池材料、分析科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有較多應(yīng)用。

從石墨烯量子點(diǎn)納米材料轉(zhuǎn)化到石墨烯量子點(diǎn)氣凝膠，在微觀尺度上實(shí)現(xiàn)了三維聚合物網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，從而提高了材料的熒光性能。Martin-Pacheco等研究了基于陽離子共價(jià)網(wǎng)絡(luò)的石墨烯量子點(diǎn)氣凝膠材料（CNGQDs），其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖39,在不同離子存在且pH范圍很寬的情況下，該材料能夠作為多環(huán)芳烴分子污染物的原位便攜式傳感器材料，提高傳感器的靈敏度和選擇性。

圖39 石墨烯量子點(diǎn)氣凝膠原位水傳感器的反應(yīng)機(jī)制

Wang等采用三維碳量子點(diǎn)-GA（CQDs-GA）復(fù)合氣凝膠作為一種無金屬存在的熒光催化劑材料，GA充當(dāng)介質(zhì)，能夠促進(jìn)從CQDs中提取和轉(zhuǎn)移光誘導(dǎo)電荷載體的過程，從而增強(qiáng)對Cr4+的光還原活性，可提高其光敏效率。圖40為CQDs-GA復(fù)合氣凝膠的制備流程，測得CQDs是粒徑為1.9～2.2 nm的準(zhǔn)球形。因此，量子點(diǎn)氣凝膠特殊的結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的光學(xué)性能在熒光領(lǐng)域具有較大應(yīng)用前景。

圖40 三維CQDs-GA復(fù)合氣凝膠的合成過程

生物質(zhì)基有機(jī)及C氣凝膠

繼氧化物、碳化物、氮化物等無機(jī)氣凝膠和聚合物基傳統(tǒng)有機(jī)氣凝膠的研究之后，生物質(zhì)基有機(jī)氣凝膠憑借原料的分布廣泛和獲取方式簡易等優(yōu)勢而受到極大的關(guān)注。同時(shí)，生物質(zhì)基原料往往綠色無毒，普遍具有生物相容性、生物可降解性等特點(diǎn)，這極符合當(dāng)前綠色化學(xué)理念。

7.1 生物質(zhì)基有機(jī)及C氣凝膠的制備和改性處理

與無機(jī)和傳統(tǒng)有機(jī)氣凝膠相比，生物質(zhì)基氣凝膠的原料來源更加多元化，包括纖維素、蛋白質(zhì)、殼聚糖、淀粉等。大多數(shù)生物質(zhì)基有機(jī)氣凝膠的制備工藝與傳統(tǒng)氣凝膠相似，主要由納米自組裝與干燥（超臨界或冷凍干燥）兩部分組成，如纖維素氣凝膠和殼聚糖氣凝膠。

Jiao等從天然蘆葦中提取纖維素，與叔丁醇溶劑置換后，將濃縮的纖維素懸浮液冷凍干燥（-55 ℃以下）制得氣凝膠材料。

Zhang等證實(shí)了在含有水的乙醇溶劑中，低濃度的殼聚糖與交聯(lián)劑會產(chǎn)生微分散的活性相，交聯(lián)反應(yīng)生成濕凝膠，其中交聯(lián)過程可加速進(jìn)行，濕凝膠經(jīng)干燥后制得較高比表面積的殼聚糖氣凝膠。

為了提高氣凝膠的性能，將無機(jī)材料，特別是性能優(yōu)異的無機(jī)納米顆粒引入生物質(zhì)材料中，達(dá)到對生物質(zhì)基氣凝膠進(jìn)行改性的目的。在提高生物質(zhì)基氣凝膠力學(xué)性能方面，Lu等將從竹葉中提取原料制備的納米纖維素氣凝膠浸入AgNO3/氨水混合溶液中，再通過冷凍干燥獲得沉積有Ag2O顆粒的氣凝膠材料，制備過程如圖41所示。Ag2O改性的纖維素氣凝膠集三維有機(jī)氣凝膠骨架和無機(jī)納米粒子的性能于一體，具有大比表面積、孔結(jié)構(gòu)豐富和力學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)。

圖41 基于竹葉的銀葉納米纖維素氣凝膠的制備過程

為了制備磁功能化氣凝膠，Chin等通過超聲波均勻分散Fe3O4和纖維素的復(fù)合溶液，制備了磁性纖維素氣凝膠，再通過溶膠-凝膠法包覆TiO2,使合成的磁性氣凝膠表面疏水化。該氣凝膠在10 min內(nèi)吸油量約為自身質(zhì)量的28倍，同時(shí)回收過程簡單。

He等通過真空過濾法制備的超彈性細(xì)菌纖維素-SiO2氣凝膠，憑借分級的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，具有超彈性與超疏水性，可以承受80%的壓縮應(yīng)變，還具有高達(dá)88%的油回收容量。

Deuber等還通過電紡絲技術(shù)制備了普魯蘭糖-PVA納米纖維，并獲得了均勻的懸浮液，通過固體模板法、冷凍干燥和熱交聯(lián)法制備氣凝膠，如圖42所示。隨后使用三氯（辛基）硅烷進(jìn)行疏水改性，得到的甲硅烷基化氣凝膠材料的力學(xué)穩(wěn)定性提高了18%,密度增加了5%,在0.3 s內(nèi)可以吸收氯仿等非極性液體。

圖42 通過電紡制備支鏈淀粉-PVA納米纖維氣凝膠

隨著研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn)使用生物質(zhì)基與聚合物基有機(jī)氣凝膠為基礎(chǔ)，在惰性氣體環(huán)境中再經(jīng)過一定升溫制度升溫至600～1000 ℃進(jìn)行高溫碳化處理，即可制備得到C氣凝膠。在高溫條件下，有機(jī)氣凝膠中的一些有機(jī)雜質(zhì)被分解，C骨架被保留，從而形成了孔隙率高、比表面積大的C氣凝膠。由于纖維素可以直接碳化，所以利用纖維素衍生的C氣凝膠吸引了眾多研究者關(guān)注。

Li等以楊樹為原料制備了C氣凝膠：利用亞氯酸鹽活化楊樹后，將楊樹纖維溶液置于乙醇中進(jìn)行均化，在60℃烘箱中直接干燥后，得到亞氯酸鈉-楊樹纖維氣凝膠，該氣凝膠再進(jìn)行后續(xù)的N2氣氛下1000 ℃高溫碳化處理，即可制得管狀結(jié)構(gòu)的C氣凝膠。

7.2 生物質(zhì)基有機(jī)及碳?xì)饽z的應(yīng)用領(lǐng)域

7.2.1 吸附領(lǐng)域

在眾多多孔吸附劑中，生物質(zhì)基有機(jī)氣凝膠因具有原料天然豐富、成本低、生態(tài)友好性和生物降解性好等優(yōu)點(diǎn)，作為三維材料在吸附領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的潛力，如圖43所示，迄今為止，已經(jīng)成功地基于生物質(zhì)，包括納米纖維素，木質(zhì)素和甲殼質(zhì)制備了多種高性能油吸收劑。

圖43 用于油水分離的三大類氣凝膠的優(yōu)勢

纖維素表面是相對親水的，因此關(guān)于纖維素氣凝膠在吸附領(lǐng)域的研究工作主要集中在表面修飾上。Zhou等利用MTES處理纖維素，制備的低密度（<5.08 mg/cm3）、高孔隙率（>99.68%）的纖維素氣凝膠對各種油脂具有良好的吸附能力（159 g/g）。

Sai等以TMCS為改性劑，制備了纖維直徑為20～80 nm的疏水纖維素氣凝膠，水接觸角可達(dá)146.5°，吸油能力最高可達(dá)185 g/g,疏水纖維素氣凝膠的制備和對5w40機(jī)油的吸附過程見圖44,此外，由于纖維較細(xì)，孔隙率較高，在應(yīng)變達(dá)到70%時(shí)，壓縮應(yīng)力為12 kPa。因此，該氣凝膠可通過簡單擠壓除去被吸附的油。

圖44 纖維素氣凝膠的制備工藝和吸油效果

近年來，眾多國內(nèi)外學(xué)者還研究了其他表面改性氣凝膠對不同油類物質(zhì)的吸附性能，相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。Feng等用堿性熟化陽離子樹脂（Kymene）代替NaOH和尿素交聯(lián)纖維，再用MTMS包覆以制備表面超疏水氣凝膠，制得的改性纖維素氣凝膠具有良好的長期疏水性和高吸油性。

表3 部分改性纖維素氣凝膠的性能

殼聚糖是自然界第二豐富的生物多糖，并具有無毒性、生物相容性和可降解性等優(yōu)點(diǎn)。Meng等報(bào)道了一種超疏水纖維素-殼聚糖復(fù)合氣凝膠（SCECS），在氣凝膠表面殼聚糖自組裝成許多微米直徑的顆粒，形成與荷葉的微觀形貌相似的結(jié)構(gòu)，并通過靜電作用和離子交換對氣凝膠進(jìn)行了硬脂酸鈉改性。SCECS具有較大的水接觸角（156°），可從水中去除各種油類，對甲苯的吸附量也可達(dá)10 g/g。

除了纖維素、殼聚糖氣凝膠外，許多其他種類的生物質(zhì)材料也可用于制備生物質(zhì)基有機(jī)氣凝膠，例如海藻酸鈉、大豆蛋白、羥基磷灰石、肽-多糖等，并通過各種有機(jī)和無機(jī)改性制備性能優(yōu)良的生物質(zhì)基氣凝膠。

Dai等通過簡單的離子交聯(lián)和冷凍干燥工藝，將TiO2顆粒加入海藻酸鈉中制備TiO2摻雜的海藻酸鈉氣凝膠。

Maleki等對蛋白質(zhì)基氣凝膠的制備進(jìn)行了研究，從蠶繭中提取絲素蛋白（SF），并用5-（三甲氧基硅基）戊酸（TMSPA）和MTMS進(jìn)行修飾，制得了聚甲基硅氧烷（PMSQ）-SF雜化氣凝膠，其力學(xué)性能優(yōu)良，抗壓強(qiáng)度可達(dá)14 MPa。

Wang等以甲醛為交聯(lián)劑制備明膠氣凝膠，并采用高溫CVD法對MTCS進(jìn)行了氣凝膠疏水改性，氣凝膠的吸油能力達(dá)到了自身質(zhì)量的123倍。此外，在60%的應(yīng)變下，氣凝膠表現(xiàn)出良好的彈性和超柔軟性，應(yīng)力僅為2.0 kPa。

重金屬離子是當(dāng)今主要環(huán)境污染物之一。在眾多污水處理的技術(shù)中，吸附處理法具有環(huán)境溫度要求低、選擇性好、純化簡單、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種有效、靈活和經(jīng)濟(jì)的重金屬廢水處理方法。該方法中吸附材料的選擇非常重要，而氣凝膠憑借其特殊的結(jié)構(gòu)，在吸附領(lǐng)域占據(jù)一席之地。

Li等制備了具有形狀記憶功能的柔性納米纖維素-聚乙烯亞胺復(fù)合氣凝膠，兼具結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和形狀可恢復(fù)的特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)中的大量氨基可用于Cu（II）和Pb（II）的吸附，最大吸附量分別為175.44和357.44 mg/g。

Maatar等使用芬頓試劑將聚甲基丙烯酸-馬來酸接枝到納米纖維素上，制備的改性復(fù)合氣凝膠對質(zhì)量分?jǐn)?shù)<0.001%的Pb（II）、Cd（II）、Zn（II）和Ni（II）的吸附率均在95%以上。

Cui等所制備的磁性纖維素復(fù)合氣凝膠（MNCA）具有連續(xù)分層的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，孔徑約為30 nm、比表面積可以達(dá)到236～288 m2/g,孔體積為0.55～0.88 cm3/g。此外，該復(fù)合氣凝膠顯示超順磁性，最大飽和磁化強(qiáng)度達(dá)到18.53 emu/g。MNCA對水溶液中重金屬離子的吸附速度快，吸附能力強(qiáng)，100 min內(nèi)吸附量可達(dá)63.3 mg/g。該復(fù)合氣凝膠還具有良好的可重復(fù)利用性，在數(shù)次吸附后仍可從水中被回收利用。

在此基礎(chǔ)上，利用再生纖維素凝膠作為微反應(yīng)器，通過原位共沉淀技術(shù)制備了MnFe2O4納米粒子，進(jìn)行兩步氧化反應(yīng)對磁性纖維素氣凝膠進(jìn)行羧基改性，進(jìn)一步提高了材料的吸附和循環(huán)性能。將吸附平衡時(shí)間縮短到120 min,還可以通過提高吸附溫度來提高吸附量。當(dāng)溶液初始質(zhì)量濃度為150 mg/L時(shí)，對Cu（II）的最大吸附量可達(dá)到73.70 mg/g,符合Langmuir等溫吸附模型。

7.2.2 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

20世紀(jì)30年代，Momsanto公司將粒狀SiO2氣凝膠作為化妝品及牙膏中的添加劑或觸變劑，打開了氣凝膠在生命科學(xué)領(lǐng)域的大門。對于生物材料而言，每一種材料在進(jìn)入人體某一特定器官之前，必須首先測試是否有不良的生物反應(yīng)，如過敏、炎癥、致癌等。近年來，人們對以具有生物相容性的氣凝膠材料為藥物載體和以生物活性化合物（如酶、蛋白質(zhì)）為基質(zhì)的藥物遞送體系越來越感興趣。特別是多糖基氣凝膠由于具有良好的生物相容性與可降解性在眾多生物質(zhì)基有機(jī)材料中脫穎而出。

生物質(zhì)基有機(jī)氣凝膠在藥物運(yùn)載方面的報(bào)道以多糖與蛋白質(zhì)為主。Mehling等分別使用馬鈴薯淀粉和改性的淀粉藻酸鹽制得對應(yīng)的氣凝膠、用于加載藥物布洛芬和對乙酰氨基酚。淀粉和藻酸鹽氣凝膠均可通過從液體或超臨界溶液中吸附這兩種藥物從而實(shí)現(xiàn)裝載。通過載釋藥動力學(xué)研究顯示該氣凝膠的載釋藥能力主要取決于氣凝膠基質(zhì)性能及結(jié)構(gòu)特征，其載藥量隨比表面積的增加而增加。

Marin等使用絲素蛋白（SF）合成用于藥物遞送的SF氣凝膠，同樣使用超臨界CO2法將藥物布洛芬裝載到SF氣凝膠中。在37℃、pH=7.4下進(jìn)行體外布洛芬釋放實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示純布洛芬15 min內(nèi)在磷酸鹽緩沖溶液中完全釋放溶解，而從SF氣凝膠中釋放布洛芬的時(shí)間約為360 min,實(shí)現(xiàn)了24倍緩釋。布洛芬在SF氣凝膠中的緩釋過程為75%的布洛芬在100 min內(nèi)釋放和15%的在100～360 min內(nèi)釋放。剩余的10%布洛芬與SF氣凝膠基體有很強(qiáng)的結(jié)合作用，可能被困在塌陷的多孔氣凝膠基體中，直到氣凝膠降解后才能釋放。由此可見SF氣凝膠具有出色的藥物緩釋能力。

Lu等以木粉為納米纖維素纖維來源，用高碘酸鈉氧化成二醛納米纖維素纖維，隨后與膠原進(jìn)行交聯(lián)制備了二醛纖維素纖維-膠原復(fù)合氣凝膠。該材料以雙醛纖維素纖維為基質(zhì)，膠原沿纖維生長，平均體積密度僅為0.02 g/cm3,孔隙率為93%,吸水率高達(dá)3000%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。通過生物相容性和細(xì)胞毒性（MTT）分析，該復(fù)合氣凝膠具有良好的生物相容性，有望作為組織工程的支架材料。

除此以外，甲殼素和殼聚糖的黏合性質(zhì)、抗真菌和殺菌特性以及對氧的高滲透性，使其成為治療傷口和燒傷的候選材料。阿拉伯樹膠（GA）多糖已被用于治療腸黏膜炎癥和覆蓋發(fā)炎表面，具有抗菌和抗氧化活性。細(xì)菌纖維素顯示出良好的穩(wěn)定性、低的毒性、非變應(yīng)原性、生物相容性并可以安全地滅菌，可用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，例如用于燒傷的創(chuàng)傷敷料或一般的輔助傷口修復(fù)。這些材料所制備的氣凝膠在生物醫(yī)藥領(lǐng)域中報(bào)道不多，但具備極好的發(fā)展?jié)摿?，或是今后生物領(lǐng)域氣凝膠應(yīng)用的主力軍。

7.2.3 建筑領(lǐng)域

生物質(zhì)基有機(jī)氣凝膠在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在隔熱方面，現(xiàn)階段研究中以纖維素氣凝膠為主。纖維素纖維是由聚合物鏈之間的二次相互作用（范德華和氫鍵）下進(jìn)行平行堆疊而形成直徑為5～50 nm的含結(jié)晶和無定形區(qū)的原纖維，平均密度約為1.5 g/cm3,平均彈性模量為125 GPa,平均拉伸強(qiáng)度為2.5 GPa,平均表面積接近800 m2/g。因此，纖維素納米纖維被認(rèn)為是最適合的熱絕緣生物質(zhì)基有機(jī)氣凝膠的原料之一。

Chen等以鹽酸水解分離提取的纖維素為原料制備氣凝膠，熱降解溫度為342℃，而硫酸水解介導(dǎo)分離制備的氣凝膠的熱降解溫度為120℃，兩種氣凝膠的熱導(dǎo)率均低于0.016 W/（m·K）。

纖維素納米纖維的表面性質(zhì)也影響氣凝膠的形成和最終性能，例如，與羥丙基纖維素納米纖絲相比，具有硫酸化纖維素納米原纖維的凝膠形成顯得更加困難。為了模擬SiO2氣凝膠的光學(xué)透明度和線性彈性，Kobayashi等用分散在水中的表面碳纖維素納米纖維制備氣凝膠，其密度為0.017 g/cm3、孔徑約為30 nm,最低熱導(dǎo)率為0.018 W/（m·K），獲得優(yōu)異隔熱性能的關(guān)鍵是在氣凝膠形成過程中保持液晶排列。

Jiménez-Saelices等還研究了不同孔隙結(jié)構(gòu)對纖維素氣凝膠熱性能的影響，以纖維素納米纖維懸浮液為原料，采用兩種不同的模具進(jìn)行冷凍干燥，在不同的溫度梯度下形成氣凝膠。所制備的氣凝膠分別為定向孔道氣凝膠和無孔排列的氣凝膠。在一定密度下，無孔排列的氣凝膠比定向孔道氣凝膠具有更好的隔熱性能，熱導(dǎo)率最低為0.024 W/（m·K）。文獻(xiàn)還研究了橫向（0.030 W/（m·K））和軸向（0.060 W/（m·K））熱導(dǎo)率與軸向分層排列的纖維素納米纖維泡沫（0.060 W/（m·K））之間的差異。Jiménez-Saelices等還從凍干的纖維素穩(wěn)定乳液中制得氣凝膠，該氣凝膠顯示出極低的熱導(dǎo)率（0.018 W/（m·K））。

在建筑隔熱方面，生物質(zhì)基有機(jī)氣凝膠與常規(guī)SiO2氣凝膠相比，隔熱性能更加優(yōu)異，熱導(dǎo)率下降約40%,越來越受到廣泛的關(guān)注。

7.2.4 其他領(lǐng)域

近年來，關(guān)于生物質(zhì)基有機(jī)氣凝膠的應(yīng)用，廣大科研工作者在吸附、醫(yī)藥、建筑領(lǐng)域外，還進(jìn)一步開拓了包括食品包裝、安全阻燃、應(yīng)變傳感等應(yīng)用領(lǐng)域。

Nesic等通過溶膠-凝膠法結(jié)合CO2超臨界干燥技術(shù)制得果膠基TiO2納米復(fù)合氣凝膠，該復(fù)合氣凝膠熱導(dǎo)率（0.022～0.025 W/（m·K））低于空氣，是一種潛在的絕緣食品包裝材料。

Wang等以阿拉伯膠和蒙脫土為原料，采用簡單的冷凍干燥工藝制備了輕質(zhì)生物質(zhì)基氣凝膠。在純阿拉拍膠中加入40%黏土后，干凝膠的比模量和吸收能力分別提高了1.6倍和4.2倍。黏土的引入使材料具備了更多各向異性結(jié)構(gòu)，多孔材料冪律模型中模量的指數(shù)從1.95增加到3.28。在熱穩(wěn)定性和阻燃性方面，黏土含量起主導(dǎo)作用。在50%黏土負(fù)荷下，初始分解溫度升高了近16 ℃，熱釋放速率峰值減少了2/3。

Yuan等通過化學(xué)還原和冷凍干燥制備了高孔隙率（99.61%）和低密度（6～7 mg/cm3）的生物質(zhì)基石墨烯-海藻酸鈉氣凝膠。該氣凝膠具備出色的耐久性（> 6000次加載-卸載循環(huán)）、優(yōu)異的壓縮敏感性（規(guī)格系數(shù)為1.01）和良好的彎曲能力（彎曲敏感性為0.172 rad-1）。石墨烯和海藻酸鈉之間強(qiáng)烈的氫鍵作用是強(qiáng)度和彈性協(xié)同增強(qiáng)的主要原因。電導(dǎo)率和力學(xué)柔韌性的結(jié)合，使該生物質(zhì)基石墨烯-海藻酸鈉氣凝膠成為撓性應(yīng)變傳感器的候選者之一。

Farooq等在纖維素纖維氣凝膠中摻入硫代芐基半胱氨酸（SBC），在有效提高阻燃性的同時(shí)不損害氣凝膠的熱導(dǎo)率（僅為28.0 mW/（m·K））。在SBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，阻燃?xì)饽z的最小燃燒速度為0.20 cm/s,遠(yuǎn)低于純纖維素纖維氣凝膠（5.84 cm/s）。在SBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，阻燃?xì)饽z表現(xiàn)出無火焰的熱解，同時(shí)可以通過調(diào)節(jié)SBC的摻量有效控制材料形貌與微孔量。這項(xiàng)研究展示了一種制備纖維素纖維阻燃?xì)饽z的有效方法，為下一代生物質(zhì)基阻燃材料奠定基礎(chǔ)。

其他氣凝膠

除了前文所述氧化物等無機(jī)氣凝膠、石墨烯氣凝膠以及聚合物基和生物質(zhì)基有機(jī)氣凝膠外，為了拓寬氣凝膠的應(yīng)用范圍和促進(jìn)氣凝膠材料多樣化發(fā)展，人們開始對其他新型氣凝膠材料的制備及性能進(jìn)行深入研究，如硫族氣凝膠、金屬單質(zhì)氣凝膠、非金屬單質(zhì)氣凝膠、鈣鈦礦型氣凝膠和尖晶石型氣凝膠等，應(yīng)用領(lǐng)域主要包含催化、傳感、生物電子和環(huán)境治理等方面。

8.1 硫族氣凝膠

隨著氣凝膠材料的不斷發(fā)展，研究者發(fā)現(xiàn)了一種以金屬硫化物為基礎(chǔ)的硫族氣凝膠材料，這一類材料具有路易斯堿性與較高的比表面積，使得金屬硫化物氣凝膠表現(xiàn)出了獨(dú)特的吸附性、光活化性等。目前，硫族氣凝膠的制備方法主要有金屬分子前驅(qū)體硫解法、硫族離子團(tuán)與金屬離子縮合反應(yīng)法和金屬硫化物納米粒子的縮合反應(yīng)法等。

硫解法是制備金屬硫化物氣凝膠最常用的方法，與傳統(tǒng)的氣凝膠制備過程類似，硫解法只是用H2S代替了H2O,水解-縮合過程變?yōu)榱蚪?縮合過程，最終以S連接形成凝膠。Kalebaila 等以Ge（OC2H5）4和H2S為原料，采用硫解法和低溫CO2超臨界干燥技術(shù)成功制得具備高比表面積、高孔隙率等特性的白色粉末狀GeSx氣凝膠。由于老化和凝膠化過程中，濕凝膠與空氣接觸會發(fā)生貧硫和GeS2結(jié)晶，因此，硫解法過程中要嚴(yán)格脫水脫氧。

Bag等利用Pt2+等過渡金屬陽離子與離子團(tuán)進(jìn)行縮合反應(yīng)，并結(jié)合溶膠-凝膠法和CO2超臨界干燥制備了Pt2Ge4S10氣凝膠。該方法制得的Pt2Ge4S10氣凝膠具備一定的凝膠結(jié)構(gòu)和無序的孔隙分布，其固體框架與 GeSx氣凝膠同樣為非晶結(jié)構(gòu)。與硫解法相比，采用溶膠-凝膠法制備的金屬硫化物氣凝膠材料的孔隙結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，且能夠制備不同成分的氣凝膠材料，靈活性大大增加。

Gacoin 等發(fā)現(xiàn)硫醇基團(tuán)與空氣接觸會發(fā)生氧化反應(yīng)生成二硫及其他化合物和納米粒子，最終形成共軛聚集體并產(chǎn)生凝膠，從而將分散的CdS納米粒子溶液經(jīng)4-氟苯基硫醇表面改性劑處理后得到凝膠。

在此基礎(chǔ)上，Mohanan 等將CdS濕凝膠進(jìn)行低溫CO2超臨界干燥后成功制備出CdS氣凝膠，由此類方法制備的硫族氣凝膠比表面積明顯增大，干燥后的CdS氣凝膠的比表面積為245 m2/g,而其濕凝膠的比表面積為47 m2/g,增大約5倍。文獻(xiàn)[291]進(jìn)一步將該方法拓展到制備PbS、ZnS和 CdSe等氣凝膠材料。

硫族氣凝膠可以廣泛應(yīng)用于太陽能電池、光催化、傳感器、化石燃料脫硫和重金屬除雜等領(lǐng)域。其中，硫族氣凝膠能夠在輕金屬離子存在下選擇性地吸附重金屬離子，經(jīng)卟啉改性后的硫族氣凝膠可以吸附憎水的芳環(huán)有機(jī)分子。

另外，因硫族氣凝膠與不同氣體的相互作用強(qiáng)度差異較大，可應(yīng)用于氣體分離，如將H2從CO2氣體中分離等。傳統(tǒng)的吸附材料在吸附重金屬和可極化離子方面的效果并不大理想，而硫族氣凝膠材料在這方面表現(xiàn)十分優(yōu)異，在環(huán)境治理等領(lǐng)域?qū)笥凶鳛椤?/span>

8.2 金屬氣凝膠

納米多孔金屬氣凝膠具有許多優(yōu)異特性，例如高表面積、密度可控、高電導(dǎo)率和較好的生物相容性等，吸引了越來越多研究者的關(guān)注。目前，常見的金屬氣凝膠材料有Ti、Fe、Pd等單金屬和多金屬氣凝膠，常采用基于模板的鎂熱還原法和無模板的溶膠-凝膠法制備。

Ti氣凝膠一直是研究熱點(diǎn)，因?yàn)榭勺鳛閼T性約束聚變（ICF）實(shí)驗(yàn)中理想的高強(qiáng)度X線源，且氣凝膠低密度性質(zhì)還可以使激光對目標(biāo)物進(jìn)行加熱，從而顯著改善轉(zhuǎn)換率。采用基于模板的鎂熱還原法將TiO2氣凝膠還原成Ti單質(zhì)氣凝膠，由于相變和氣固反應(yīng)過程均會產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力，從而導(dǎo)致鎂熱還原過程中TiO2整體模板很容易破裂。

為此，Wang等在相對較低的溫度和鹽酸蝕刻工藝下對TiO2氣凝膠模板進(jìn)行鎂熱還原反應(yīng)，制備了保留初始模板相似形態(tài)的納米三維多孔Ti單質(zhì)氣凝膠，比表面積為99 m2/g。研究發(fā)現(xiàn)，Ti氣凝膠可作為X線靶材應(yīng)用于神光二號裝置上，并成功產(chǎn)生穩(wěn)定的X線，這在一定程度上推動了X線靶材的多樣化發(fā)展。

除了上述基于模板的鎂熱還原反應(yīng)制備單質(zhì)氣凝膠外，還可以在不借助模板的條件下制備單質(zhì)氣凝膠。如Leventis等以RF和 Fe2O3為前驅(qū)體，通過碳熱還原制備了Fe單質(zhì)氣凝膠；Wen等以Ca2+溶液與Pd納米顆粒作為原料，采用溶膠-凝膠法和CO2超臨界干燥技術(shù)制得了金屬Pd單質(zhì)氣凝膠。研究發(fā)現(xiàn)，基于與葡萄糖氧化酶共固定化的Pd氣凝膠的酶電極對葡萄糖氧化具有很高的活性，在生物電子領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

另外，Herrmann等發(fā)現(xiàn)Au、Ag、Pt和 Pd納米粒子在水性介質(zhì)中會聚結(jié)形成納米鏈，然后通過超臨界干燥將所得的貴金屬凝膠轉(zhuǎn)化為自支撐網(wǎng)絡(luò)的固體氣凝膠。并且通過將Au、Ag、Pt和 Pd的納米粒子在多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成過程中進(jìn)行復(fù)合，可實(shí)現(xiàn)雙金屬和多金屬氣凝膠的制備。由于其優(yōu)異的元素可調(diào)性，多金屬氣凝膠是非常有應(yīng)用前景的材料，可應(yīng)用于多相催化、電催化、儲氫、傳感器系統(tǒng)、表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）和透明導(dǎo)電材料。

8.3 Si單質(zhì)氣凝膠

SiO2氣凝膠的制備工藝已經(jīng)趨于成熟，且得到了一定的工業(yè)化應(yīng)用。這在一定程度上吸引了人們對Si單質(zhì)氣凝膠的制備及性能進(jìn)行探索。碳熱還原法曾被認(rèn)為是制備Si氣凝膠的可行方法之一，但研究發(fā)現(xiàn)，該方法將SiO2制備成Si單質(zhì)氣凝膠需要在2000 ℃的條件下進(jìn)行，但Si的熔化溫度為1410 ℃，這就使得碳熱還原法制備Si氣凝膠受到了極大地限制。

目前，制備Si單質(zhì)氣凝膠的主流方法是基于模板的鎂熱還原法，這得益于Mg氣體能夠在600～900 ℃與SiO2反應(yīng)制備出Si氣凝膠，得到的Si氣凝膠在很大程度上保持了其原模板的高比表面積和高孔隙率。

Bao等以硅藻土為模板，采用低溫鎂熱還原法制備了多孔Si材料。通過與Mg氣體反應(yīng)，將硅藻中的納米結(jié)構(gòu)SiO2微殼轉(zhuǎn)化為Si和MgO的共連續(xù)納米混合物。然后，選擇性溶解MgO后得到互連的納米Si網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)保留了初始的三維殼形態(tài)。制備的納米Si具有較高的比表面積（≥500 m2/g）和大量的微孔（≤2 nm），還具有光致發(fā)光特性，并且暴露于氣態(tài)氧化氮中時(shí)阻抗發(fā)生迅速變化。

在此基礎(chǔ)上，Chen等首次利用SiO2氣凝膠為模板，經(jīng)鎂熱還原反應(yīng)成功制得了Si單質(zhì)氣凝膠。通過控制局部Mg蒸氣壓，使用SiO2氣凝膠作為Mg吸收劑，抑制了Mg2Si的形成，并生成了高度多孔的MgO/Si基結(jié)構(gòu)。然后，選擇性溶解MgO得到密度僅為0.06 g/cm3 的Si單質(zhì)氣凝膠，該氣凝膠由相互連接的 Si納米晶體構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，比表面積高達(dá)615 m2/g。這種Si單質(zhì)氣凝膠無毒、生產(chǎn)成本低，具備高比表面積和可見光發(fā)光等優(yōu)異特性，可以廣泛應(yīng)用于傳感器、藥物輸送和醫(yī)療診斷等領(lǐng)域。

8.4 鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)氣凝膠

近年來，鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)氣凝膠也逐漸成為人們的研究熱點(diǎn)，因其具有互連的介孔結(jié)構(gòu)和高比表面積，可大幅提升自身的催化活性，在催化、能源和環(huán)境治理等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。

余高奇等以La2O3和 Mn（NO3）2為前驅(qū)體，通過溶膠-凝膠法結(jié)合超臨界干燥制備了黑色粉末狀鈣鈦礦型鑭錳氣凝膠，這種氣凝膠可對CH4和 CO氣體表現(xiàn)出很大的催化活性，廣泛應(yīng)用于催化燃燒和工業(yè)廢氣催化脫硫等領(lǐng)域。

Rechberger等將BaTiO3納米顆粒的濃縮分散液進(jìn)行去穩(wěn)定化處理，使全結(jié)晶的結(jié)構(gòu)單元組裝成圓柱形凝膠，經(jīng)超臨界干燥后獲得鈣鈦礦型BaTiO3氣凝膠，所獲得的氣凝膠比表面積達(dá)300 m2/g。與傳統(tǒng)的溶膠-凝膠法不同，該方法的凝膠過程是直接的，不涉及任何表面配體的化學(xué)或光化學(xué)氧化。BaTiO3具有出色的壓電、熱電和鐵電特性，是廣泛使用的電子陶瓷氧化物，與傳統(tǒng)致密陶瓷體相比，具有大比表面積和多孔結(jié)構(gòu)的BaTiO3氣凝膠在光催化和光電化學(xué)中更具應(yīng)用潛力。

Kuo等以氯化釕和硝酸銠為摻雜劑，以異丙醇鈦和鍶金屬為金屬源，通過改進(jìn)的氣凝膠合成法合成了納米結(jié)構(gòu)鈦酸鍶的光催化劑。研究發(fā)現(xiàn)，銠摻雜量的增加會導(dǎo)致在370 nm波長處的光吸收增加，但也會導(dǎo)致光催化活性降低。與較低比表面積的傳統(tǒng)材料相比，該材料在可見光照射下可大大提高甲醇水溶液的產(chǎn)氫性能。此外，這些納米晶體氣凝膠材料的表面性質(zhì)也有所不同，該材料在堿性溶液中具有較高的活性，而傳統(tǒng)材料（如通過傳統(tǒng)固相合成法獲得的材料）僅在酸性溶液中才能獲得理想的產(chǎn)氫量。

8.5 尖晶石型結(jié)構(gòu)氣凝膠

尖晶石型結(jié)構(gòu)氣凝膠是一種新材料，通常由溶膠-凝膠與超臨界干燥的方法制備而成。與傳統(tǒng)尖晶石材料相比，尖晶石型結(jié)構(gòu)氣凝膠具有更大的比表面積，從而改善其電化學(xué)活性，可應(yīng)用于介電、催化、能量存儲與轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域。

Wu 等首次以AlCl3·6H2O和 MgCl2·6H2O為前驅(qū)體，采用溶膠-凝膠法和超臨界干燥合成了一種新型的納米棒狀MgAl2O4尖晶石氣凝膠。經(jīng)1200 ℃煅燒后，比表面積高達(dá) 82 m2/g,有望應(yīng)用于對比表面積要求較高的催化劑和催化劑阻隔層。

Maloney等以異丙醇鈦、三乙醇胺、甲醇和氯仿為原料，采用溶膠-凝膠法結(jié)合超臨界干燥制備了Li2TiO3尖晶石氣凝膠。該氣凝膠可作為高級鋰離子電池的負(fù)極材料，經(jīng)數(shù)千次循環(huán)幾乎沒有容量損失，可以存儲更多的能量，從而有效提高電池安全性和循環(huán)壽命。

Wei等在CoCl2·6H2O和NiCl2·6H2O的混合物中加入環(huán)氧丙烷形成環(huán)氧化合物，并采用溶膠-凝膠法和超臨界干燥制備NiCo2O4尖晶石氣凝膠。鈷鎳氣凝膠具有良好的電子傳導(dǎo)性、對質(zhì)子/陽離子的擴(kuò)散阻力低、易于滲透電解質(zhì)以及較高的電活性區(qū)域等優(yōu)異特性，有望應(yīng)用于下一代高性能超級電容器。

結(jié)語與展望

本文從氣凝膠材料的分類、制備方法、基本性能等方面對氣凝膠材料作了綜合介紹，并對各類氣凝膠的應(yīng)用及發(fā)展作了詳細(xì)描述。氣凝膠優(yōu)異的物理特性使其在航空航天、石油化工、環(huán)境保護(hù)、建筑保溫和能量儲存與轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

其中，氧化物氣凝膠的研究開始得最早而且相對成熟，在隔熱、吸附、光催化等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。氧化物氣凝膠最為突出的特點(diǎn)是空氣中的耐高溫性能及隔熱性能，且制備工藝相對簡單。因此，目前氣凝膠的產(chǎn)業(yè)化也主要集中在SiO2氣凝膠上。氧化物氣凝膠的不足主要包括力學(xué)性能較差、高溫條件下熱導(dǎo)率增長較快、吸附和催化的循環(huán)使用效果顯著降低，因此通過改性、摻雜或復(fù)合的方式提升其力學(xué)性能、高溫隔熱性能和循環(huán)使用性能是其未來主要的發(fā)展方向。

對于碳化物及其復(fù)合氣凝膠而言，制備過程一般均需包含1000 ℃以上的高溫?zé)崽幚恚苽涔に囕^為復(fù)雜，到目前為止，SiC及其復(fù)合氣凝膠為主要研究對象。由于碳化物氣凝膠在高溫有氧條件下仍然會存在高溫氧化的問題，其應(yīng)用領(lǐng)域一般要求為無氧環(huán)境，或通過在SiC中引入Si—O鍵形成Si—O—C結(jié)構(gòu)或摻雜一些抗氧化劑從而提升其抗氧化性能。目前，除SiC氣凝膠外的碳化物氣凝膠研究較少，亟需進(jìn)一步提升碳化物氣凝膠的基礎(chǔ)研究水平，提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及熱學(xué)和力學(xué)性能，突破碳化物氣凝膠廣泛應(yīng)用的瓶頸。

氮化物氣凝膠研究方面，由于合成過程中需要不同的高溫?zé)崽幚項(xiàng)l件，合成工藝復(fù)雜，材料結(jié)構(gòu)可控性相對較差，而且目前氮化物氣凝膠仍然存在著力學(xué)性能較差、隔熱性能不突出的問題。因此，對于氮化物氣凝膠的研究主要集中在材料的合成上，在隔熱、吸附、催化和電化學(xué)領(lǐng)域的研究還有較大的提升空間。

聚合物基氣凝膠因其聚合物主體種類多樣化，因而在分子設(shè)計(jì)過程中具有較大的靈活性及性能可調(diào)控性，在航空航天、鉆井勘探、氣體回收及分離和催化劑載體方面具備重要應(yīng)用價(jià)值。但由于聚合物基體難以分解、所加助劑一般具有毒性及加工污染大的特性使得聚合物基氣凝膠的處理難以達(dá)到理想的狀態(tài)，亟需調(diào)整聚合物基氣凝膠的功能性和可降解性，使其可以回收利用。一方面要減少氣凝膠在制備、使用和廢棄環(huán)節(jié)中所產(chǎn)生的污染；另一方面需要添加無機(jī)、金屬等材料來改善聚合物基氣凝膠在使用過程中所造成的蠕變等高分子特有的老化現(xiàn)象，以增強(qiáng)其使用壽命、降低材料成本并改善材料性能。

石墨烯氣凝膠諸多優(yōu)異的性能使其在能源儲存與轉(zhuǎn)化、高溫隔熱、吸附、催化、傳感和電磁屏蔽等領(lǐng)域有著無限的應(yīng)用前景，已然成為近年來研究的熱點(diǎn)。但是目前石墨烯氣凝膠應(yīng)用的最大阻礙還是前驅(qū)體氧化石墨烯難以大規(guī)模和批量化的制備，而且性能差異比較明顯。因此，開發(fā)可大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)石墨烯氣凝膠的新方法和繼續(xù)拓展石墨烯氣凝膠的新應(yīng)用已成為下一階段科研人員研究的重點(diǎn)。

量子點(diǎn)氣凝膠具有量子點(diǎn)納米材料發(fā)光效率高、化學(xué)穩(wěn)定性好和電導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)也為該材料提供更多的活性位點(diǎn)，可改善催化性能以及傳感能力。但是，目前量子點(diǎn)氣凝膠的制備主要是參考當(dāng)前較為熱門的量子點(diǎn)材料，因此研究還處于材料制備和性能探索階段，后續(xù)需重點(diǎn)研究氣凝膠結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)在光電材料、生物細(xì)胞成像以及熒光材料等領(lǐng)域更為廣泛的應(yīng)用。

生物質(zhì)基有機(jī)及C氣凝膠主要是通過廉價(jià)易得、來源廣泛的生物質(zhì)為原料進(jìn)行制備的，目前的研究主要集中在油水分離、建筑保溫和吸附等領(lǐng)域。由于原材料具備優(yōu)異的生物相容性和生物可降解性，因此生物質(zhì)基氣凝膠材料作為一類特殊的氣凝膠材料，在生物與醫(yī)用材料等方向有較大的應(yīng)用前景。后續(xù)需要著重探索其在生物醫(yī)用領(lǐng)域的研究，跨越學(xué)科壁壘，使生物質(zhì)基氣凝膠材料發(fā)揮其自身的強(qiáng)大優(yōu)勢，在生物醫(yī)用領(lǐng)域獲得突破性進(jìn)展。

隨著國內(nèi)外科研人員對氣凝膠研究力度的不斷加大，硫族氣凝膠、金屬單質(zhì)氣凝膠、非金屬單質(zhì)氣凝膠、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氣凝膠和尖晶石結(jié)構(gòu)氣凝膠等具備特殊結(jié)構(gòu)的氣凝膠材料也不斷地被研發(fā)出來，這些材料在催化、傳感、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境治理等領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景，但目前相關(guān)制備技術(shù)尚未成熟，材料的性能穩(wěn)定性也有待進(jìn)一步提高。

總的來說，氣凝膠材料目前仍然存在的問題及未來主要發(fā)展方向主要包括以下幾點(diǎn)。

1）形成機(jī)制有待進(jìn)一步研究。雖然碳化物、氮化物、量子點(diǎn)、生物質(zhì)基有機(jī)及碳?xì)饽z等新型氣凝膠材料已經(jīng)得以成功制備，但是此類氣凝膠材料合成機(jī)制研究尚不夠深入，同時(shí)氣凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)生長機(jī)制、表面組成及化學(xué)結(jié)構(gòu)調(diào)控和高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性調(diào)控等需要進(jìn)一步研究，后期需要將目光集中在量子化學(xué)及分子動力學(xué)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合上，實(shí)現(xiàn)從分子、原子層面對氣凝膠材料的形成機(jī)制進(jìn)行深入研究和對氣凝膠材料的性能進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)控。

2）功能型氣凝膠材料的研究有待繼續(xù)深入。氣凝膠在電極材料、半導(dǎo)體材料、磁性材料等方面的應(yīng)用研究還不夠完善，有關(guān)結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的研究尚不深入，需要進(jìn)一步研究其內(nèi)在機(jī)制，揭示性能和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)，同時(shí)高性能、多功能型氣凝膠材料還有待對氣凝膠材料的性能進(jìn)一步開發(fā)。

3）規(guī)?；a(chǎn)問題還未解決。在工業(yè)生產(chǎn)方面，氣凝膠因成本較高、施工不易限制了其規(guī)模化應(yīng)用，需要采用成本更加低廉的前驅(qū)體，結(jié)合成本更低的干燥手段，使生產(chǎn)工藝得到完善，進(jìn)一步降低氣凝膠材料的成本，推動氣凝膠的工業(yè)化生產(chǎn)。只有這樣，氣凝膠材料才有望在今后成為推動社會發(fā)展變革的超級材料，為人類的生活帶來真正意義上的革新。

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