纳米材料炭气凝胶研究论文

1、纳米材料炭气凝胶的研究综述日期：2013/4/24目录纳米材料炭气凝胶的基本特征i1.1纳米材料概述11.2气凝胶的基木特征概述11.3炭气凝胶的发展状况2二炭气凝胶的制备工艺32.1溶胶凝胶及老化过程32.2凝干燥过程42.3高温炭化过程4三炭气凝胶的应用研究进展43.1在电化学方面的应用53.2作隔热材料53.3其他领域应用6四参考文献6一纳米材料炭气凝胶的基本特征具有知识经济时代特征的21世纪,将是生命科技和信息科技高速发展和广泛 应用的时代,而纳米科学和技术将促进包括生命科技、信息科技在内的几乎所冇 技术的飞速发展。能源、信息和材料被认为是现代国民经济的三大支柱,新型材 料的研究、开发

2、与应用直接反映一个国家科学技术与工业水平高低纳米材料和 纳米结构是当今新材料研究领域屮最富冇活力，对未来经济和社会发展有着十分 重耍影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重耍组成部分。1.1纳米材料概述纳米（nanometer,nm）是一种几何尺寸的度量单位，一纳米为十亿分之一米。 纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级（0一 10伪m）的材料，包括 纳米颗粒（零维材料），直径为纳米量级的、管、线（一维材料），厚度为纳米量级的薄 膜与多层膜（二维材料），以及基于上述低维材料所构成的致密或非致密固体。纳米 科学技术是基于纳米尺度的物理学、化学、材料学、生物学、电子学、信息等

3、多 学科构成的一个综合学科交叉体系。一般说來纳米科学是研究纳米尺度范畴内原 子、分子和其它类型物质运动和变化的科学，而在同样尺度范围内对原子、分子 等进行操纵和加工的技术则为纳米技术（nanot.ochnology）o由于纳米材料的尺度 处于原子簇和宏观物体交界的过渡域,是介于宏观物质与原子或分子间的过渡亚 稳态物质，相对传统固体材料，纳米材料具有显著的量子尺寸效应、表而与介而效 应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应，并口表现出奇异的力学、电学、磁学、光 学、热学和化学特性川1.2气凝胶的基本特征概述气凝胶，又称为干凝胶。当凝胶脱去大部分溶剂，使凝胶屮液体含量比固体 含量少得多，或凝胶的空间网状结

4、构中充满的介质是气体，外表呈固体状，这即 为干凝胶，也称为气凝胶。如明胶、阿拉伯胶、硅胶、毛发、指卬等。气凝胶也 具凝胶的性质，即具膨胀作用、触变作用、离浆作用。气凝胶是一种固体物质形态，世界上密度最小的固体。密度为3kg/每立方米。 一般常见的气凝胶为硅气凝胶，其最早由美国科学工作者kistler在1931年制得。 气凝胶的种类很多，有硅系，碳系，硫系，金属氧化物系，金属系等等。aerogel 是个组合词，此处aero是形容词，表示飞行的，gel显然是凝胶。字面意思是可 以飞行的凝胶。任何物质的gel只要可以经干燥后除去内部溶剂后，又可基本保 持其形状不变，且产物高孔隙率、低密度，则皆可以称

5、z为气凝胶。1.3炭气凝胶的发展状况第一块气凝胶的问世始于1931年,美国斯坦福大学的瓦stler将硅酸钠和盐酸 混合 反应生成水凝胶，用乙醇置换其中的水得到醇凝胶，在高于乙醇临界点的条件下进 行干燥，使凝胶孔隙屮充满气体，即得到硅气凝胶，后来ktle:制备了金屈氧化物和 明胶等系列气凝胶ktlei的工作一直未得到人们的重视，直到六十年代才有人重复 他的工作。1968年nicoloan利用硅酸一步溶胶一凝胶过程制备岀氧化硅气凝胶, 使凝胶的千燥周期大大缩短，推动了气凝胶的研究进展。此后透明块状氧化硅气 凝胶广泛应用于切仑可夫测器。凝胶作为太阳能收集器的透光覆盖层也获得了专 利。这些实际应用的成

6、功引起了科学家对气凝胶研究的兴趣，在二十世纪八十年 代关于气凝胶的研究空前活跃。科学家们研究气凝胶奇异的物理特性，探索气凝 胶的微结构，开发新的气凝胶工艺过程和制备工艺路线。1985年tewari使用二氧化碳作为超临界干燥介质，成功地进行了湿凝胶的干 燥,使干燥温度降至室温，提高了设备的安全可靠性，推动了气凝胶的商业化进程。 wofgnier和phalippou采用三点弯曲技术(tbree pointbending)测定了硅气凝胶的 机械性能。他们发现气凝胶的弹性模量y与其密度p成止比关系也就是说模量 取决于气凝胶的合成条件。这一结果后來被lemay及其同事在l-encelivermore 国

7、家实验室采用单轴压缩法(所得实验结果证实。brinker及其同事在sandia国家 实验室首次合成了硼酸气凝胶161,他们同时详细研究了硅的水解和缩聚反应, 捉岀了目前最为完善的凝胶动力学生长模型。研究者可以利用这些模型来控制气 凝胶的微结构，预测气凝胶的物理特性。tiiliotson和hrubesh对brinker所提出的 两步溶胶-凝胶法进行改进，制备出超低密度,高孔隙率(99.8%)的块状硅气凝胶。这些气凝胶现在已被nasa用在太空飞船上。2013年浙江大学高分子系高超课题组以模板冷冻法成功制备岀超轻气凝胶, 文章在线发表在先进材料上(adv. mater., 2013, doi: 10

8、.1002/adma.201204576)o 他们受到体育馆等大型建筑结构的启示，以二维纳米材料石墨烯为壁、一维纳米 材料碳纳米管为骨，i办同组装成了纯碳气凝胶。气凝胶的密度可很容易地进行调 节，最低可达到0.16mg/cm3,且可大量制备。该材料貝有无温度依赖的超弹性, 当压缩80%后仍可弹回，对冇机溶剂具冇超快、超高吸附力，依据不同的溶剂密 度可达到215-913倍，为已报道的最高吸油力物质，且可循环使用。二炭气凝胶的制备工艺目虽然相继开发了一些制备炭气凝胶的新原料，但制备工艺过程总体相似，基 本分为三步:溶胶凝胶及老化过程、胶干燥过程及高温炭化过程。2.1溶胶凝胶及老化过程制备炭气凝胶的

9、第一步是在体系屮形成凝胶。从溶胶或溶液出发都能得到凝 胶，关键是胶粒间的相互作用力是否足够强，以致克服胶粒一溶剂间的相互作用。 对于溶胶形成凝胶可以认为是聚沉过程的一个特殊阶段，与完全聚沉不同之处在 于凝胶体系只失去聚结稳定性，仍具有动力稳定性，不生成沉淀。大分了溶液形成 凝胶的过程与结晶过程有些相似。由于大分子链很长，且有柔性，所以不能完全伸 展，只能在较小区域内发生缠绕、交联，形成聚合物小簇，进一步形成凝胶。大分子 溶液形成凝胶通常可以通过改变温度或加入非溶剂来实现，也有人认为:利用溶剂 化效应和空间位阻效应，或使胶粒农面带电荷可以实现溶胶向凝胶的转变。由溶胶形成凝胶的貝体方法有:(1)胶

10、体粉末溶胶的凝胶化：(2)无机盐或金属 醇盐为前驱体经水解缩聚形成凝胶；(3)利用化学反应产生不溶物,并控制反应条 件得到凝胶。溶胶凝胶法因(a)反应条件温和，通常不需要高温高压,对设备技术要 求不高;(b)体系化学均匀性好;(c)所得产品纯度高，粒径分布均匀,粒度分布窄;(d) 可以通过改变溶胶凝胶过程参数，裁剪控制纳米材料的显微结构等特点目前正日 益成为新材料合成的首选方法。2.2凝干燥过程虽然溶胶一凝胶过程能通过低温化学手段剪裁、控制材料的显微结构，但凝 胶的千燥是溶胶一凝胶工艺中至关重要而又较为困难的一步。由于凝胶在干燥过 程中易发生弯曲、变形和开裂，所以凝胶的干燥条件耍求较为苛刻。干

11、燥条件稍 有不当，便会导致整个过程的失败。干燥过程中引起骨架收缩和变形的作用力主 要有毛细张力、渗透张力、分离张力和湿度张力等。维持凝胶基本网络结构的基 础上提高干燥速率是溶胶一凝胶工艺工业化的前提。通常釆用以下措施:(1)通过 改变合成条件或添加有机改性剂以增加凝胶的孔径，可以有效减小毛细张力;(2) 添加表面活性剂使凝胶衣面疏水;采用消火气液界面的超临界干燥法;(4)采用 冷冻干燥法蒸发溶剂。其中较为有效的维持凝胶织构的干燥技术是超临界干燥技 术。2.3高温炭化过程体型交联结构的冇机气凝胶经过炭化处理可以得到具冇低电阻率的炭气凝 胶。炭气凝胶继承了有机气凝胶的基木网络结构，因此控制有机气凝

12、胶结构的因 索同样控制着炭气凝胶的网络结构。当溶胶一凝胶体系催化剂浓度较高时，炭化 过程气凝胶的体积收缩较大。影响炭气凝胶结构的因素除与初始合成溶液的催化剂浓度等因素有关外，还 与炭化工艺条件密切相关,如炭化终温、升温速率、维温时间及载气流速等。炭 气凝胶是有机气凝胶在1273k左右的炭化产物，没有完全石墨化，屈于硬炭。用在 线红外光谱结合tga和dsc技术跟踪间苯二酚甲醛气凝胶的热解过程，发现 873k之后炭气凝胶屮击现石墨化结构随热解温度从1273k升高到2073k,炭气凝 胶中的带状石墨化结构逐渐出现平面有序。三炭气凝胶的应用研究进展由于气凝胶是一种具有纳米网络结构的多孔材料，在力学、声

13、学、电学、热 学及光学等领域均显示出独特的性质。它们明显不同于孔隙结构在微米、毫米量 级的多孔材料，其纤细的纳米结构使得材料的热导率极低，具有很高的比表面积, 很好的导电性，对光声的散射均比传统的多孔材料小得多。所冇这些不仅使得气 凝胶在基础研究领域引起人们的兴趣，而且在许多领域蕴藏着广泛的应用前景。3.1在电化学方面的应用电化学双电层电容器(edlc),是一种比常规电容器电容大20 - 200倍的独特 电容器。它能捉供比电解电容器更高的能量密度，比电池更高的功率密度和循环 寿命。近年來人们一直致力于开发高功率密度和高能量密度的电化学电容器，以 改进电动汽车和混合汽车的主能系统,依据不同的分类

14、标准,edlc冇许多不同类 型。根据所用的电极材料可分为炭电极edlc,金属氧化物电极edlc和聚合物 电极edlco炭材料由于大的比表面积,良好的加工性和低廉的价格，是最为普遍 采用的电极材料。另外炭材料表而存在的含氧官能团可产生一定量的准电容，从 而提高edlc的比电容。气凝胶是一种新型纳米多孔材料，具有很高的比表面积, 可控的孔径分布和低电阻率等特点，利用炭气凝胶做无粘结剂的电极材料具冇广 阔的商业化前景。3.2作隔热材料徳国wuerzberg大学在气凝胶热导特性方面的研究处于领先地位。他们系统 研究了气凝胶的热传输机理。纳米多孔气凝胶具有极低的热导率，其热导率由气 相热导率、固相热导率

15、和辐射热导率组成。降低空气压力是降低气凝胶气相热导 率的有效途径，压力减少到o.olbar吋，气相热导率可以忽略不计，固相和辐射热导 率z和仅为0.01w/m ko硅气凝胶和炭气凝胶具有良好的热稳定性，可在高温环境下作超级隔热材 料。据估算室内供暖所耗能量的30%是通过窗户散失的，由于口前建筑物窗户朝 大型化发展，通过窗户所散失的能量不断增加，因此严寒地区窗户节能问题己引起 人们的关注。硅气凝胶是理想透明隔热材料,以硅气凝胶窗代替普通的双层玻璃 窗,既节省燃料乂减少大气污染，同时还具有隔咅的作用。由于硅气凝胶是一种理 想的透明隔热材料,徳国、比利时、英国、等数家公司联合开展硅气凝胶窗的开 发研究。冰箱口前采用的隔热材料是含大量氟里昂气体的聚氨脂泡沫，氟里昂对 人类的生存环境有不良影响，止逐步被淘汰。气凝胶是很好的候选材料，从烤箱、 热水瓶、冰箱到液化气罐气凝胶都具有潜在的应用价值，一旦生产工艺取得突破, 成木降低，气凝胶作隔热材料将得到推广应用。3.3其他领域应用高表面积的气凝胶还可以作催化剂和催化剂载体。气凝胶在催化领域的应用涉及到冇机 化合物的部分氧化、加氢反应、乙烯聚合、一氧化碳和二氧化碳与氢的反皿及氧化氮的氨述 原反应等。西班牙的carlosmc等在溶胶一凝胶过程加入笫六族金屈盐制备了炭气凝胶金属 氧化物复合物，其屮氧化钩复合的炭