SiO2气凝胶吸附剂在环境污水净化领域的研究进展

开发新型环境净化材料为解决当前环境污染问题和实现可持续发展提供了一个新的可行性方案。近年来,SiO₂气凝胶由于具有独特的三维纳米多孔结构,在隔热保温、油水分离、吸附催化等领域具有极大的应用价值。在吸附应用方面,SiO₂气凝胶因其固有的高孔隙率、轻量化、高吸附作用和表面易改性的特点,成为一种极具潜力的新型环境净化材料。然而纯的SiO₂气凝胶的吸附性能源于高孔隙结构毛细管作用,而不能对吸附质实现针对性吸收。得益于SiO₂气凝胶表面丰富的羟基,使其拥有进一步可表面改性的能力,这是其最大的优势。对SiO₂气凝胶进行表面功能化结构设计可实现针对污染物分子的选择性和特异性吸附。本文首先介绍了SiO₂气凝胶的特性及吸附机理,然后根据吸附对象的不同分类,主要从含油污水分离净化、有毒工业污水处理两个污染治理应用方面介绍了SiO₂气凝胶及其复合材料在水体污染物吸附消除方向的研究发展现状,着重讨论了功能化基团对污染物吸附作用的影响,总结了SiO_2...     

增强改性SiO2气凝胶复合材料的研究进展

SiO₂气凝胶是一种含有纳米介孔结构的轻质固体材料，具有高孔隙率、高比表面积、低导热性、低介电性等特性，在隔热、吸附、吸声、发光、催化、电子等工业领域具有广阔的应用前景。但SiO₂气凝胶自身孔结构存在易碎、易坍塌等缺陷，导致应用受到较大限制。在保持SiO₂气凝胶良好特性的前提下，对其进行增强改性制备力学性能优良的SiO₂气凝胶复合材料是近年来的研究热点。本文报道了无机/有机纤维增强改性SiO₂气凝胶、有机聚合物增强改性SiO₂气凝胶及无机物掺杂增强改性SiO₂气凝胶等复合材料的主要制备工艺过程、材料综合性能表现及增强改性机制，探讨了增强改性SiO₂气凝胶复合材料研究进展及重点方向，以期为增强改性SiO₂气凝胶复合材料的研究和应用提供新的设计思路。      

纳米纤维素增强SiO2气凝胶力学性能与微观结构

为克服SiO₂气凝胶强度低、易破碎等缺点,通过原位溶胶-凝胶法制备纳米纤维素（CNF）增强SiO₂气凝胶,并对SiO₂气凝胶的化学结构、微观形貌和力学、物理性能进行表征分析,探讨了CNF对SiO₂气凝胶力学性能的增强机制。结果表明：CNF独特的纳米级网络结构可增强SiO₂颗粒之间的联结强度;Si-OH（960 cm^-1）和Si-O-Si（1 225 cm^-1、1 056 cm^-1和800 cm^-1）等特征吸收峰的出现表明,CNF与SiO₂之间形成稳定的化学键联结;采用不同含量CNF气凝胶作为SiO₂增强相均可达到增强力学性能的效果,同时仍能保持SiO₂气凝胶本身质轻、高孔隙率、高比表面积等特性;当以CNF质量分数为6wt%的溶液制备气凝胶时,CNF增强SiO₂气凝胶具有最优的力学性能,压缩模量和压缩强度分别为12.43 MPa和2.59 MPa。     

SiO2气凝胶基空气净化材料的研究进展

SiO₂气凝胶具有高孔隙率、良好的吸附能力和表面易改性等优异特性，在污水和空气净化等领域具有极大的应用前景。近年来，城市温室效应加剧、空气质量下降，亟待开发新一代高效空气净化材料。从温室气体吸附和气相有毒化合物吸附两个应用背景出发，总结了SiO₂气凝胶的吸附原理和改性工艺，概述了众多学者在该领域的研究成果，并对未来研究方向提出了展望。     

SiO2增强氧化铝气凝胶复合建筑保温材料的制备及性能研究

气凝胶材料凭借孔隙率高、抗压能力强和热导率低等优势，在建筑保温材料市场中具有广阔的应用前景。选择正硅酸乙酯和仲丁醇铝为原料，通过溶胶-凝胶法制备了不同SiO₂掺杂量的Al₂O₃-SiO₂气凝胶复合保温材料。研究了SiO₂掺杂量对复合气凝胶晶体结构、微观形貌、力学性能和导热性能的影响。结果表明，Al₂O₃-SiO₂气凝胶主要由多晶态的勃姆石组成，SiO₂的掺杂抑制了γ-Al₂O₃相的生成，阻碍了羟基缩水反应的发生，且AlO-H基团中的H被Si取代，形成了更为稳定的Al-O-Si键。Al₂O₃-SiO₂气凝胶呈现出开放的多孔结构，SiO₂的掺杂改善了气凝胶的孔道走向，使孔径尺寸减小且均匀分布。随着SiO₂掺杂量的增加，Al₂     

碳纤维增强SiO2气凝胶复合材料的制备及保温性能研究

以正硅酸乙酯（TEOS）为前驱体,无水乙醇和去离子水为溶剂,采用溶胶-凝胶法制备了SiO₂气凝胶,再以不同含量(0,1%,3%和5%（质量分数）)短切碳纤维为增强材料,在胶凝完成后,经过表面改性,采用常压干燥工艺,制备了碳纤维增强SiO₂气凝胶复合材料。采用XRD、SEM、FT-IR和孔径测试等方法对制备所得复合材料的微观结构、形貌、孔径分布和导热性能进行了测试分析。结果表明,碳纤维增强SiO₂气凝胶复合材料为典型的非晶态结构,属于毛细凝聚特征的介孔材料,碳纤维的掺杂并没有改变SiO₂气凝胶的晶态结构;未掺杂碳纤维的SiO₂气凝胶的颗粒相互堆搭,掺入碳纤维的SiO₂气凝胶颗粒的孔隙明显减小,孔洞结构较为完整,碳纤维的掺入填充了大尺寸孔隙,有助于气凝胶孔径分布区间的收窄,当碳纤维的含量为3%（质量分数）时,颗粒分布最佳;随着碳纤维含量的增加,复合材料的导热系数呈现出先降低后升高的趋势,当碳纤维的含量为3%（质量分数）时,样品的导热系数最低为0.019 W/（...     

柔性有机硅气凝胶的制备及其高温无机化转变研究

二氧化硅气凝胶以其低密度、高孔隙率等特性在高温隔热领域显示出广阔的应用前景, 但其脆性和高成本的超临界干燥方式限制了其应用。本研究以乙烯基三甲氧基硅烷(VTMS)和乙烯基甲基二甲氧基硅烷(VMDMS)为前驱体, 通过溶胶凝胶、常压干燥制备了具有高柔性的海绵状有机硅气凝胶, 并研究了前驱体摩尔比对气凝胶微观结构和压缩回弹性能的影响, 以及气凝胶分别在高温有氧和无氧环境中的无机化转变过程。结果表明, 随着前驱体中VTMS/VMDMS比例增加, 气凝胶颗粒变小且堆积更紧密, 其压缩回弹性能也随之降低; 在800 ℃空气氛围中, 气凝胶通过侧基的氧化和主链Si-O-Si的断裂、重排转化为无机SiO₂; 在800 ℃ N₂氛围中, 气凝胶通过裂解反应转化为无机SiO₂和游离碳的混合体, 1000~1400 ℃进一步处理后SiO₂和游离碳经碳热还原反应生成SiO₄、SiCO₃、SiC₂O₂和SiC₃O等无定形的Si-O-C结构和少量β-SiC纳米线; 经1200 ℃碳热还原反应生成的Si-O-C结构具有最优的耐高温氧化性能, 可为制备耐高温氧化Si-O-C气凝胶提供参考。     

玻璃纤维和碳纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料的制备及性能研究

以正硅酸乙酯为前驱体,玻璃纤维和碳纤维为增强相,通过溶胶-凝胶和常压干燥分别制备了玻璃纤维增强型二氧化硅气凝胶(GF/SiO₂气凝胶)和碳纤维增强型二氧化硅气凝胶(CF/SiO₂气凝胶)复合材料,通过扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱、比表面积和孔径分布测试仪、万能力学试验机、导热系数测试仪等手段对材料的结构和性能进行了测试表征,对比分析了玻璃纤维和碳纤维对SiO₂气凝胶复合材料结构与性能的影响。结果表明：玻璃纤维与SiO₂颗粒基体之间的界面结合较差,制得的GF/SiO₂气凝胶具有较差的力学性能(压缩强度=0.676MPa,应变=60%)和较高的导热系数[0.0410W/(m·K)];而碳纤维与SiO₂气凝胶颗粒具有较好的界面相互作用,制得的CF/SiO₂气凝胶具有良好的力学性能(压缩强度=1.225MPa,应变=60%)和低的导热系数[0.0342W/(m·K)]。     

具有气凝胶结构特征的C/SiO2和C/SiC复合材料研究进展

具有气凝胶结构特征的C/SiO₂和C/SiC复合材料因其多样的结构存在形式和多孔、轻质、耐高温等特性, 在高温隔热、吸附、催化、储氢、光电等多种领域具有广泛的应用前景和研究价值。依据硅源与碳源的不同引入方式, 本文综述了采用共聚法、浸入法和聚合物先驱体热解法制备的具有气凝胶结构特征的C/SiO₂和C/SiC复合材料的研究现状。借助碳材料与SiO₂两者间的相对存在形式, 探讨了这三种工艺方法制备C/SiO₂和C/SiC复合材料的工艺特点, 分析了材料所呈现的组织结构特征、合成机理和性能特点, 并对其潜在的应用前景进行了展望。硅与碳之间多样的复合方式使C/SiO₂和C/SiC复合材料呈现出多样的材料特征和特性, 为相关研究开辟了新的方向。     

AEP作用下溶胶-凝胶法制备纤维素基炭气凝胶及其对水溶液中Cu2+吸附性能

以微晶纤维素为前驱物, 在表面活性剂异辛醇聚氧乙烯醚磷酸酯(AEP)作用下进行溶胶-凝胶反应, 经过真空冷冻干燥后得到纤维素气凝胶, 再在600℃惰性气氛中碳化反应制备成炭气凝胶。通过扫描电镜、BET比表面测定和红外光谱表征制备的炭气凝胶孔隙结构及表面官能团, 并采用静态吸附法考察了炭气凝胶对水溶液中铜离子的吸附性能。结果表明, 溶胶-凝胶反应中的AEP能够有效调节和改进制备的炭气溶胶孔隙结构及其吸附性能。添加2%的AEP得到的纤维素凝胶制备炭气凝胶CCA₂孔隙结构发达、均匀, 具有655.4 m²/g的比表面积和0.73 cm³/g的孔容, 对水溶液中Cu²⁺的吸附容量最大可达到86.27 mg/g, 吸附等温线符合Langmiur模型, 吸附过程遵循准二级动力学方程。     

SiO2气凝胶@聚合物复合材料的制备方法及性能研究进展

SiO₂气凝胶@聚合物复合材料融合了SiO₂气凝胶纳米多孔、低热导、耐高温特性及聚合物柔韧、高强特性，可在微观尺度形成独特的有机无机互渗透结构，既克服了SiO₂气凝胶脆性大、强度低的固有缺陷，也增强了聚合物的隔热、耐高温、阻燃、疏水等功能，从而可用于需求高强、高韧、高效绝热、耐高温、阻燃、防火、超疏水等多种复合功能的应用场景，是当前气凝胶新材料领域的研究热点。本文从SiO₂气凝胶@聚合物复合材料的制备方法、组成与微观结构、物理化学性能三个角度综述了当前领域最新研究进展，涵盖了环氧树脂、聚氨酯、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚苯乙烯等常见聚合物体系，归纳总结了“共混法”“共前驱体法”“气凝胶或聚合物原位生长法”三种典型制备途径，分别从组成与结构、力学性能、热学性能、阻燃性能、疏水性能等方面，阐述了气凝胶@聚合物复合材料的结构与性能特点，分析了制备方法及气凝胶掺量等因素对复合材料体系结构与性能的影响规律。在此基础上，梳理了SiO₂气凝胶@聚合物复合材料当前研究存在的问题及未来可能的发展方向。     

Al2O3-SiO2复合气凝胶的制备及改性剂对其结构与隔热性能的影响

以AlCl₃·6H₂O为前驱体,采用离子交换工艺和溶胶-凝胶法,在正硅酸四乙酯（TEOS）乙醇溶液中浸泡实现Al₂O₃和SiO₂的复合,经表面改性和常温常压干燥制备出低成本、无杂质离子、低热导率的Al₂O₃-SiO₂复合气凝胶。探索了不同有机硅烷改性剂对Al₂O₃-SiO₂复合气凝胶结构和隔热性能的影响。结果表明,在改性剂为三甲氧基甲基硅烷（MTMS）,改性环境为中性（pH为7）时,Al₂O₃-SiO₂复合气凝胶表现出最均匀的微观结构,SiO₂和Al₂O₃主要以无定形形式存在。MTMS可有效减少Al₂O₃-SiO₂湿凝胶表面的-OH基团,形成Si-O-Si和Al-O-Si基团。Al₂O₃-SiO₂气凝胶比表面积和孔体积分别达到574 m2/g和2.3 cm3/g,热导率低至0.029 W（m·K）-1。以上研究为促进气凝胶材料在隔热领域的应用提供了支持。      

氨基功能化纳米纤维素气凝胶的制备及性能

选用3-（2-氨基乙氨基）丙基甲基二甲氧基硅烷（AEAPMDS）对球形纤维素纳米纤维（CNF）湿凝胶进行化学修饰,探讨了改性反应条件对氨基纳米纤维素中N含量的影响,选用叔丁醇溶液为置换溶剂,采用冷冻干燥制备了一种新型的生物质气凝胶。对所制备的3-（2-氨基乙氨基）丙基甲基二甲氧基硅烷-纤维素纳米纤维（AEAPMDS-CNF）气凝胶的微观形貌、结构特征、力学强度及CO₂的吸附等性能进行表征和分析。结果表明：反应时间为10 h、反应温度为90℃、AEAPMDS溶液的质量分数为12wt%时,是AEAPMDS-CNF气凝胶的最佳制备方案。改性后的纤维素气凝胶具有三维网络孔结构、质轻（ρ ≤ 0.0573 g·cm^-3）、高孔隙率（ε>90%）等特点,其压缩强度为0.46 MPa,CO₂吸附量高达1.54 mmol·g^-1,表现出优异的CO₂吸附性能,具有很大的应用前景。     

中孔炭的水玻璃模板法制备、结构调控及球形功能化

以廉价水玻璃为原料, 通过控制水解条件, 合成出具有不同尺寸的SiO₂溶胶, 并与间苯二酚-甲醛(RF)溶胶形成均相的凝胶复合物, 经常压干燥、炭化、酸洗, 得到具有可控结构的中孔炭材料。考察了水解温度、水解时间和反应物组成对孔结构的影响, 并通过氮气吸附、扫描电镜和透射电镜对材料的微观结构进行了表征。结果表明: 中孔炭的孔隙反相复制于SiO₂凝胶网络, 其平均孔径随水解时间的延长或水解温度的升高而增大, 并在6~12 nm范围内精细调控, 而其总孔隙率可以通过改变炭、SiO₂前驱体比例调节。对液相复合溶胶通过悬浮聚合法和喷雾干燥法处理, 分别制备出毫米级和微米级的中孔炭球, 进而实现了中孔炭在宏观形貌上的调控。本工作为中孔炭的低成本制备、精细结构调控以及球形功能化提供了重要参考。     

SiC掺杂改性SiO2气凝胶的制备及其隔热性能研究

以正硅酸乙酯和甲基三乙氧基硅烷为共聚硅源，加入干燥控制化学添加剂N,N-二甲基甲酰胺，酸催化制备硅溶胶，并添加遮光剂SiC,混合均匀后在碱性条件下老化得到SiC掺杂改性双硅源体系SiO₂溶胶，再利用疏水改性、溶剂交换等后处理工艺，常压干燥得到SiC掺杂改性SiO₂气凝胶。考察了双硅源体系SiO₂气凝胶的组织性能、表面形貌、物质构成和孔结构等，进一步分析了不同SiC掺杂量和温度条件对SiO₂气凝胶隔热性能的影响。结果表明，SiC掺杂改性双硅源体系SiO₂气凝胶的导热系数在700℃条件下可低至0.0482W/(m·K),且具有良好的高温隔热性能。     

聚酰亚胺气凝胶的制备及结构与性能研究进展

气凝胶是一种具有三维纳米多孔网络的固体材料，其孔隙中分布着气态介质。气凝胶具有低密度、高孔隙率和低热导率的特点，广泛应用于航空航天、电子通讯、阻燃隔热、储能、吸附、催化及传感等领域。文中调研了近年来聚酰亚胺气凝胶的相关研究进展，讨论了聚酰亚胺气凝胶的制备、结构与功能的关系等，指出未来发展聚酰亚胺气凝胶可以从提高力学强度、降低热导率方面入手，为聚酰亚胺气凝胶在隔热等领域中的应用提供参考。     

SiO2-Al2O3气凝胶及纤维增强复合材料制备技术研究进展

SiO₂-Al₂O₃复合气凝胶(SAA)耐高温性能明显优于纯SiO₂、Al₂O₃气凝胶,可用于1 000℃以上高温环境,对高温窑炉、设备隔热保温具有重要意义。本文综述了SAA及纤维增强复合材料的制备技术研究进展,在阐明硅铝复合溶胶水解、聚合机理的基础上,讨论了前驱体种类、干燥方式、水、添加剂等对溶胶胶凝过程及气凝胶微观结构与物化性能的影响,简要介绍了SAA微观结构、高温烧结行为特点及硅铝物质的量比对孔结构及耐高温性能的影响,介绍了基于粉煤灰、煤矸石、高岭土等廉价原料的SAA制备方法,以及基于纳米颗粒组装、冰模板、壳聚糖模板的制备新方法。在纤维增强复合材料方面,介绍了以纤维为分散相、纤维预制体为主体骨架两类复合材料的制备方法及纤维种类(石英、莫来石、碳纤维、纳米SiO₂、碳纳米管、氧化锆等)对复合材料力学及耐高温性能的影响。最后梳理了目前复合气凝胶研究中存在的问题,展望了其发展趋势。     

ZnFe2O4纳米球的制备及其对丙酮的气敏性能研究

丙酮被广泛应用于工业和实验室,对丙酮浓度的检测十分重要。ZnFe₂O₄是一种尖晶石型三元金属氧化物,气敏性能优良,可广泛应用于气体传感器。本文采用简单的一步水热法制备了球状的ZnFe₂O₄气敏材料。通过XRD、XPS、SEM、TEM、N2吸附-解析仪对材料的形貌结构、化学组成、比表面积等进行分析,并以丙酮为目标气体对其气敏性能进行了综合研究。结果表明,ZnFe₂O₄纳米球是由纳米粒子自组装而成,有较大的比表面积;该ZnFe₂O₄基气体传感器在最佳工作温度150℃下对丙酮的灵敏度为65.74,并具有出色的选择性、稳定性、重复性,但随着湿度的增加其气敏性能逐渐降低。     

模板法制备高比表面积的氟化镁及其在HFC-152a脱HF反应中的应用

镁基固体酸催化剂在含氟化学品的合成中具有优异的性能。利用模板法制备了高表面积的氟化镁,并考察了SiO₂模板剂的用量对其结构及催化性能的影响。通过N₂物理吸附、X射线衍射、NH₃-程序升温脱附、透射电镜和X射线光电子能谱等表征手段进行了表征, 以1,1-二氟乙烷(HFC-152a, CH₃CHF₂)脱HF制备氯乙烯(VF,CH₂=CHF)为探针对其催化性能进行了研究。结果表明, SiO₂模板剂用量对氟化镁的比表面积、晶粒度和酸性有较大影响。当SiO₂模板剂用量为14mol%时, 氟化镁比表面积可达304 m²/g, 是不添加SiO₂模板剂的2.5倍, 而且Mg晶粒度更小, 配位数更多。随着Mg配位数增多, MgF₂的酸性位急剧增多, 在以Lewis酸为活性位的1,1-二氟乙烷脱HF反应中, MgF₂的催化活性迅速升高。因此, 以SiO₂为模板是制备高活性MgF₂催化剂的有效方法。     

SiO2 PMMA-GMA亚微米复合粒子的制备及其对环氧树脂的改性

用溶胶-凝胶法制备了表面含可聚合官能团的亚微米SiO₂粒子,利用在其表面的乳液聚合成功制备了具有核-壳结构的SiO₂-聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)-甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)复合粒子,通过TEM、FTIR和TGA对其结构进行了表征;然后制备了SiO₂-PMMA-GMA/环氧树脂复合材料,利用SEM观察其断裂形貌,并分析了复合粒子增韧环氧树脂的机制。结果表明: SiO₂为复合粒子的内核,粒径约为180 nm,其表面被PMMA-GMA聚合物包覆,厚度约为20 nm;PMMA-GMA聚合物与SiO₂的质量比为87.4%,PMMA-GMA聚合物对SiO₂的接枝率及PMMA-GMA聚合物的有效接枝率分别为77.0%和88.1%;当SiO₂-PMMA-GMA复合粒子在环氧树脂中的含量为4wt%时,其固化后的冲击强度可由19.2 kJ/m²增加到42.0 kJ/m²。