一、背景介紹

氣凝膠是什么？首先我們要了解一下凝膠是什么，凝膠指的是一定濃度的高分子溶液或溶膠，在適當條件下，粘度逐漸增大，最后失去流動性，整個體系變成一種外觀均勻，并保持一定形態的彈性半固體。當凝膠被水或其他液體充滿后，即稱之為水凝膠。相似的是，當凝膠被氣體充滿后，即稱之為“氣凝膠”。氣凝膠是由膠體粒子相互聚結形成納米多孔網絡結構，并在孔隙中充滿氣態分散介質的一種高分散固態材料。氣凝膠擁有極高孔洞率、極低的密度、高比表面積、超高孔體積率。氣凝膠的應用廣泛，1.優異的隔熱保溫性能使其可以作為保溫材料。2.氣凝膠可以作為吸附劑從水中吸附油和其他有毒有機物。3. 氣凝膠的低聲速和高孔隙超輕質特性使之成為理想聲阻耦合材料和水聲反聲材料。

美國科學家Steven. S. Kistler與朋友的一次打賭，看誰能夠將果凍內的液體換成氣體同時不使固體結構發生變化，經過不斷的研究與摸索，Kistler終于制備出了世界上第一塊SiO2氣凝膠。這一耳熟能詳的故事，也被稱之為“氣凝膠”的誕生之源。1931年，《Nature》雜志上發表題為《共聚擴散氣凝膠與果凍》標志著氣凝膠正式問世。2021年，國際頂級權威學術雜志《Science》第250期中，列出可以改變世界的十種新材料，氣凝膠獨占多項世界紀錄，位居十大新材料之首。2022年IUPAC化學領域十大新興技術氣凝膠又占有一席之地。近年來，科學家們對于氣凝膠的研究熱度不減。

二、文獻分析

1、納米纖維復合的超強多功能氣凝膠

由纖維元素組成的多孔網絡代表了一種高效的材料結構設計。大自然利用這種設計建造了各種承重的生物組織。以軟骨、骨小梁和植物組織的微結構為例，這些三維微纖維網絡提供了物理強度、重量輕、滲透性和表面功能的結合。最近，由自組裝聚合物納米纖維制成的氣凝膠由于其結構與生物組織相似而引起了廣泛關注。然而，由于纖維之間的弱相互作用，用目前可用的化學物質獲得高機械強度仍然很困難。

研究者報道了由芳綸納米纖維(ANFs)制備的復合納米纖維氣凝膠(CNAs)，具有優異的力學性能。納米級成分之間獨特的相互作用形成了具有高度的節點連通性和纖維之間強連接的三維網絡。這些特征導致了CNAs異常高的硬度和強度，這通過研究者對3D纖維網絡的理論模擬所證實。另一方面，在高連通性節點處連續斷裂的交聯鏈，在保持整體結構完整性的同時提供了能量耗散。因此，CNAs的斷裂能(~4700 J m?2)比許多現有的氣凝膠高出一個數量級。此外，CNAs可以通過簡單的加工步驟制成各種3D結構，這表明它們在可穿戴設備和薄膜技術中具有潛在的應用前景。這些超強聚合物氣凝膠提供的機理見解可能會為材料設計和技術創新創造一系列機會。

2、各向異性冷卻氣凝膠

在過去的幾十年里，世界上許多地區都有這樣的環境，建筑、電動汽車和食品供應鏈等許多部門的空間制冷所需的能源消耗是二氧化碳排放的主要原因之一，嚴重阻礙了全球實現碳中和的努力。為了實現節能降溫，具有超低導熱系數(k)的隔熱材料，可以通過延緩從熱環境到冷內部的熱傳遞來減少熱損失。

研究者設計了一種各向異性冷卻氣凝膠(ACA)板，該板包含平面內排列孔和孔壁，以提供各向異性k和優異的太陽反射率。受連續逐層添加制造工藝的啟發，開發了一種逐層冷凍澆注技術來制備分米尺度的各向異性氣凝膠板。添加劑冷凍澆注允許膠體溶液以逐塊的方式從一側累積凍結，同時在每個凍結塊中保持較短的凍結距離，從而使氣凝膠板在整個凍結距離上具有一致的排列和孔徑大小的面內孔道。高度柔韌、各向異性的氣凝膠板具有不同的尺寸和厚度，使用通用的添加劑冷凍鑄造技術進行了演示。通過在水性聚氨酯(WPU)中引入二維(2D)氮化硼納米片(BNNS)，進一步設計了定向孔壁，利用BNNS獨特的各向異性熱光學特性，得到了具有高度各向異性k和高太陽反射率的ACA。采用添加劑冷凍鑄造法，由BNNS/WPU膠體溶液制成了一個橫向尺寸為20 cm×20 cm的超低k(≤24 mW m?1 K?1)和高太陽反射率(≥90%)的ACA板。ACA板在陽光直射下的實際制冷性能優于商業保溫材料。這項工作提供了一種自下而上的策略，可方便地、可擴展地制造具有一致孔排列的各向異性氣凝膠，用于節能降溫應用。

3、常溫發泡制備石墨烯氣凝膠

具有高孔隙率的超輕氣凝膠是利用納米材料特殊表面性質的一種重要形式，在儲能、催化、絕熱、傳感器和復合材料等方面顯示出巨大的應用潛力。以石墨烯氣凝膠為例，發展了兩種基本的制備方法：溶膠凝膠法和模板法。這兩種方法都是從可溶石墨烯或其衍生物的稀釋分散體開始的。分散的石墨烯衍生物形成相互連接的凝膠，然后通常采用特定的干燥技術，如超臨界干燥和冷凍干燥以制備氣體，以避免結構崩潰。目前，普遍采用的冷凍干燥方法已被廣泛應用于小規模制備，但仍不能滿足熱塑性聚合物海綿的高效工業化生產。

研究者發明了一種溶致塑化發泡(HPF)方法，可以將層狀氧化石墨烯(GO)固體直接轉化為氣體，不僅是在連續的塊狀材料中，而且在大面積微陣列中也是如此。HPF法實現了氣體的直接發泡，類似于工業熱塑性聚合物海綿。水在GO層間的嵌入為氣泡的形核和長大提供了塑性。我們發現氣泡的形成遵循經典的結晶規則，允許精確控制氣體的胞壁厚度(8~40 nm)和密度(5~20 mg cm?3)。穩定的氣泡聚集產生了2D薄片的無縫連接，并提供了具有超強機械穩定性的氣體，可抵抗極端變形，如撕裂和剪切，能夠與聚合物海綿相媲美。直接發泡GA同時具有高應變系數(GF)(~2)和超寬應變范圍(0至95%)和超穩定性(104個循環)，表現優于大多數應變傳感器。在深度學習的框架下，柔性GA陣列被用作人工智能觸覺傳感器，在識別材料種類和表面結構的準確率達到80%以上，遠遠超過人類手指的平均識別能力(30%)。

4、納米纖維素氣凝膠及Cu - BTC/納米纖維素氣凝膠復合材料

金屬-有機框架(MOFs)是由金屬節點(金屬離子或團簇)連接到多齒有機連接器的多孔結晶聚合物網絡。MOFs具有獨特的特性，包括表面積超高的孔隙率、低密度、高熱穩定性和可調節的孔隙結構，因此在氣體分離和儲存、催化、吸附、能量儲存、藥物輸送、化學傳感等許多應用中受到了特別的重視。在各種類型的MOFs中，Cu-BTC或者Cu2(BTC)3是與IRMOF系列一起著名的結構之一。由于Cu-BTC具有開放的金屬位點和較大的孔隙率，因此具有特殊的應用潛力。

在本篇文章中，研究者成功地合成了純納米纖維素氣凝膠以及Cu-BTC/納米纖維素氣凝膠復合材料。納米纖維氣凝膠作為Cu-BTC粉末的固定模子，被困在納米纖維氣凝膠中的Cu-BTC能夠保持其性能。結果表明，所制備的復合材料對剛果紅有較好的吸附效果。然而，由于剛果紅在水溶液中的陰離子性質，純的CNC氣凝膠對剛果紅沒有表現出任何吸附。另一方面，Cu-BTC/NFC復合氣凝膠和純CNC氣凝膠均可作為固定的固體還原劑。研究者相信，一個完整的固體還原劑將吸引科學家進行大量的研究，因為它可以在解決方案中不產生任何有害的副產品而進行應用，因此它避免了副產品分離的需要。另一方面，它很容易從反應介質中分離出來。最重要的是，根據合成條件，這類化合物可以同時發揮還原劑和催化劑的作用，就像CNC氣凝膠一樣。

5、混合多孔六方氮化硼磁性氣凝膠

快速的城市化和工業擴張導致了自然水中無機和有機污染物的大量增加，這與公共衛生和水質密切相關。各種工業向水中排放重金屬、有機染料和多環芳烴，而沒有對這些污染物進行適當的凈化處理。由于有毒金屬、有機染料和多環芳烴在環境中的持久性和極強的毒性，從環境水中去除它們已被認為是獲得清潔水的最重要問題之一。

在本篇文章中，研究者旨在合成磁性混合氣凝膠(MHAs) ，從水溶液中有效捕獲Cr(VI)， As(V)， MB和酸性橙(AO)。通過在聚乙烯亞胺修飾的六方氮化硼納米片（h-BNNSs） (命名為PEI-h-BNNSs@Fe3O4 NPs)表面“原位”形成磁鐵礦納米顆粒(Fe3O4 NPs)，然后通過溶膠-凝膠法和凍干處理制備MHAs。制備的MHAs (PEI-h-BNNSs@Fe3O4 NPs-PVA氣凝膠)具有不同官能團(- N，-NH，-NH2和- OH)的三維結構，具有較大的比表面積和零凈電荷。此外，將磁性材料加入氣凝膠具有簡單、低成本和快速回收過程的額外優勢。通過吸附等溫線和動力學研究進一步研究了MHAs的吸附行為，在水溶液中能夠有效捕獲Cr(VI)，As(V)，MB和酸性橙(AO)，其最大吸附容量分別為833、426、415、286 mg g?1。并通過修復Cr(VI)/As(V)污染的土壤污泥樣品驗證了其可行性。