一、背景介绍

气凝胶是什么？首先我们要了解一下凝胶是什么，凝胶指的是一定浓度的高分子溶液或溶胶，在适当条件下，粘度逐渐增大，最后失去流动性，整个体系变成一种外观均匀，并保持一定形态的弹性半固体。当凝胶被水或其他液体充满后，即称之为水凝胶。相似的是，当凝胶被气体充满后，即称之为“气凝胶”。气凝胶是由胶体粒子相互聚结形成纳米多孔网络结构，并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料。气凝胶拥有极高孔洞率、极低的密度、高比表面积、超高孔体积率。气凝胶的应用广泛，1.优异的隔热保温性能使其可以作为保温材料。2.气凝胶可以作为吸附剂从水中吸附油和其他有毒有机物。3. 气凝胶的低声速和高孔隙超轻质特性使之成为理想声阻耦合材料和水声反声材料。

美国科学家Steven. S. Kistler与朋友的一次打赌，看谁能够将果冻内的液体换成气体同时不使固体结构发生变化，经过不断的研究与摸索，Kistler终于制备出了世界上第一块SiO₂气凝胶。这一耳熟能详的故事，也被称之为“气凝胶”的诞生之源。1931年，《Nature》杂志上发表题为《共聚扩散气凝胶与果冻》标志着气凝胶正式问世。2021年，国际顶级权威学术杂志《Science》第250期中，列出可以改变世界的十种新材料，气凝胶独占多项世界纪录，位居十大新材料之首。2022年IUPAC化学领域十大新兴技术气凝胶又占有一席之地。近年来，科学家们对于气凝胶的研究热度不减。

二、文献分析

1、纳米纤维复合的超强多功能气凝胶

由纤维元素组成的多孔网络代表了一种高效的材料结构设计。大自然利用这种设计建造了各种承重的生物组织。以软骨、骨小梁和植物组织的微结构为例，这些三维微纤维网络提供了物理强度、重量轻、渗透性和表面功能的结合。最近，由自组装聚合物纳米纤维制成的气凝胶由于其结构与生物组织相似而引起了广泛关注。然而，由于纤维之间的弱相互作用，用目前可用的化学物质获得高机械强度仍然很困难。

研究者报道了由芳纶纳米纤维(ANFs)制备的复合纳米纤维气凝胶(CNAs)，具有优异的力学性能。纳米级成分之间独特的相互作用形成了具有高度的节点连通性和纤维之间强连接的三维网络。这些特征导致了CNAs异常高的硬度和强度，这通过研究者对3D纤维网络的理论模拟所证实。另一方面，在高连通性节点处连续断裂的交联链，在保持整体结构完整性的同时提供了能量耗散。因此，CNAs的断裂能(~4700J/m^?2)比许多现有的气凝胶高出一个数量级。此外，CNAs可以通过简单的加工步骤制成各种3D结构，这表明它们在可穿戴设备和薄膜技术中具有潜在的应用前景。这些超强聚合物气凝胶提供的机理见解可能会为材料设计和技术创新创造一系列机会。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-31957-2

2、各向异性冷却气凝胶

研究者设计了一种各向异性冷却气凝胶(ACA)板，该板包含平面内排列孔和孔壁，以提供各向异性k和优异的太阳反射率。受连续逐层添加制造工艺的启发，开发了一种逐层冷冻浇注技术来制备分米尺度的各向异性气凝胶板。添加剂冷冻浇注允许胶体溶液以逐块的方式从一侧累积冻结，同时在每个冻结块中保持较短的冻结距离，从而使气凝胶板在整个冻结距离上具有一致的排列和孔径大小的面内孔道。高度柔韧、各向异性的气凝胶板具有不同的尺寸和厚度，使用通用的添加剂冷冻铸造技术进行了演示。通过在水性聚氨酯(WPU)中引入二维(2D)氮化硼纳米片(BNNS)，进一步设计了定向孔壁，利用BNNS独特的各向异性热光学特性，得到了具有高度各向异性k和高太阳反射率的ACA。采用添加剂冷冻铸造法，由BNNS/WPU胶体溶液制成了一个横向尺寸为20cm×20cm的超低k(≤24 mW/m^?1·K^?1)和高太阳反射率(≥90%)的ACA板。ACA板在阳光直射下的实际制冷性能优于商业保温材料。这项工作提供了一种自下而上的策略，可方便地、可扩展地制造具有一致孔排列的各向异性气凝胶，用于节能降温应用。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-33234-8

3、常温发泡制备石墨烯气凝胶

具有高孔隙率的超轻气凝胶是利用纳米材料特殊表面性质的一种重要形式，在储能、催化、绝热、传感器和复合材料等方面显示出巨大的应用潜力。以石墨烯气凝胶为例，发展了两种基本的制备方法：溶胶凝胶法和模板法。这两种方法都是从可溶石墨烯或其衍生物的稀释分散体开始的。分散的石墨烯衍生物形成相互连接的凝胶，然后通常采用特定的干燥技术，如超临界干燥和冷冻干燥以制备气体，以避免结构崩溃。目前，普遍采用的冷冻干燥方法已被广泛应用于小规模制备，但仍不能满足热塑性聚合物海绵的高效工业化生产。

研究者发明了一种溶致塑化发泡(HPF)方法，可以将层状氧化石墨烯(GO)固体直接转化为气体，不仅是在连续的块状材料中，而且在大面积微阵列中也是如此。HPF法实现了气体的直接发泡，类似于工业热塑性聚合物海绵。水在GO层间的嵌入为气泡的形核和长大提供了塑性。我们发现气泡的形成遵循经典的结晶规则，允许精确控制气体的胞壁厚度(8nm~40nm)和密度(5~20mg/cm^?3)。稳定的气泡聚集产生了2D薄片的无缝连接，并提供了具有超强机械稳定性的气体，可抵抗极端变形，如撕裂和剪切，能够与聚合物海绵相媲美。直接发泡GA同时具有高应变系数(GF)(~2)和超宽应变范围(0%至95%)和超稳定性(104个循环)，表现优于大多数应变传感器。在深度学习的框架下，柔性GA阵列被用作人工智能触觉传感器，在识别材料种类和表面结构的准确率达到80%以上，远远超过人类手指的平均识别能力(30%)。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abd4045

金属-有机框架(MOFs)是由金属节点(金属离子或团簇)连接到多齿有机连接器的多孔结晶聚合物网络。MOFs具有独特的特性，包括表面积超高的孔隙率、低密度、高热稳定性和可调节的孔隙结构，因此在气体分离和储存、催化、吸附、能量储存、药物输送、化学传感等许多应用中受到了特别的重视。在各种类型的MOFs中，Cu-BTC或者Cu₂(BTC)₃是与IRMOF系列一起著名的结构之一。由于Cu-BTC具有开放的金属位点和较大的孔隙率，因此具有特殊的应用潜力。

在本篇文章中，研究者成功地合成了纯纳米纤维素气凝胶以及Cu-BTC/纳米纤维素气凝胶复合材料。纳米纤维气凝胶作为Cu-BTC粉末的固定模子，被困在纳米纤维气凝胶中的Cu-BTC能够保持其性能。结果表明，所制备的复合材料对刚果红有较好的吸附效果。然而，由于刚果红在水溶液中的阴离子性质，纯的CNC气凝胶对刚果红没有表现出任何吸附。另一方面，Cu-BTC/NFC复合气凝胶和纯CNC气凝胶均可作为固定的固体还原剂。研究者相信，一个完整的固体还原剂将吸引科学家进行大量的研究，因为它可以在解决方案中不产生任何有害的副产品而进行应用，因此它避免了副产品分离的需要。另一方面，它很容易从反应介质中分离出来。最重要的是，根据合成条件，这类化合物可以同时发挥还原剂和催化剂的作用，就像CNC气凝胶一样。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41598-021-97861-9

5、混合多孔六方氮化硼磁性气凝胶

快速的城市化和工业扩张导致了自然水中无机和有机污染物的大量增加，这与公共卫生和水质密切相关。各种工业向水中排放重金属、有机染料和多环芳烃，而没有对这些污染物进行适当的净化处理。由于有毒金属、有机染料和多环芳烃在环境中的持久性和极强的毒性，从环境水中去除它们已被认为是获得清洁水的最重要问题之一。

在本篇文章中，研究者旨在合成磁性混合气凝胶(MHAs) ，从水溶液中有效捕获Cr(VI)， As(V)， MB和酸性橙(AO)。通过在聚乙烯亚胺修饰的六方氮化硼纳米片（h-BNNSs） (命名为PEI-h-BNNSs@Fe₃O₄ NPs)表面“原位”形成磁铁矿纳米颗粒(Fe₃O₄ NPs)，然后通过溶胶-凝胶法和冻干处理制备MHAs。制备的MHAs (PEI-h-BNNSs@Fe₃O₄ NPs-PVA气凝胶)具有不同官能团(- N，-NH，-NH₂和- OH)的三维结构，具有较大的比表面积和零净电荷。此外，将磁性材料加入气凝胶具有简单、低成本和快速回收过程的额外优势。通过吸附等温线和动力学研究进一步研究了MHAs的吸附行为，在水溶液中能够有效捕获Cr(VI)，As(V)，MB和酸性橙(AO)，其最大吸附容量分别为833、426、415、286mg/g^?1。并通过修复Cr(VI)/As(V)污染的土壤污泥样品验证了其可行性。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41545-022-00175-0