反应物结构对酚醛凝胶及其气凝胶的影响

为研究反应物酚与醛的结构对酚醛凝胶过程及其气凝胶结构的影响,采用不同的酚与醛制备出了多种气凝胶。研究了反应物结构对凝胶过程的影响,并通过扫描电镜和孔径分析仪等仪器详细研究了气凝胶的结构。结果表明,酚醛反应的凝胶时间受反应物的活性及位阻效应共同影响,反应体系选择不当可能导致无法凝胶。采用不同的酚-醛体系,所得气凝胶结构也...     

梯度气凝胶的孔结构

采用间苯二酚和糠醛作原料,以氢氧化钠为催化剂,通过溶胶-凝胶工艺制备出了梯度气凝胶。利用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜及比表面和孔径分析仪等对反应体系的溶胶-凝胶过程及气凝胶的结构进行表征。讨论了不同温度、溶剂、反应物的质量分数等工艺参数对梯度气凝胶孔结构的影响。结果表明,沉降平衡使反应体系的溶胶产生浓度梯度,进而使气凝胶具有梯度结构。通过控制各种工艺参数来改变胶粒的沉降时间及沉降速度,可以使气凝胶的孔径梯度在0.01nm-8.9nm范围内发生改变。     

苯酚-三聚氰胺-甲醛气凝胶的制备与表征研究

通过溶胶-凝胶工艺及超临界干燥过程制备了苯酚-三聚氰胺-甲醛(PMF)气凝胶,考察了不同反应物配比对凝胶时间和气凝胶密度的影响,所制备的PMF气凝胶在85℃时凝胶时间在2~6h之间,密度可低至38mg/cm~3,与传统的三聚氰胺-甲醛(MF)气凝胶体系相比,凝胶时间和密度都大大降低。采用场发射扫描电镜、N_2吸脱附、红外和热重对气凝胶的结构进行了表征,结果表明,PMF气凝胶具有典型的三维网络骨架结构,其骨架是由大量纳米级的颗粒组成的;气凝胶的比表面积可达383.03m~2/g,其孔径分布主要集中在19nm左右,是典型的介孔材料。热重分析表明,PMF气凝胶在380℃以下具有较好的热稳定性。     

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/（...     

SiO_2气凝胶的合成与孔结构表征

采用溶胶-凝胶法结合超临界流体干燥技术制备了SiO2气凝胶,系统地考察了醇硅比、水硅比、体系pH值等制备条件对SiO2气凝胶胶凝时间、孔径分布及孔型结构的影响.结果表明,水硅比对气凝胶的孔径分布和孔型具有较大的影响;水用量增加.胶凝时间延长,气凝胶的孔径分布逐渐变窄,孔型趋于一致.乙醇不参与溶胶-凝胶反应,只对TEOS有助溶和稀释的作用,因此乙醇用量增加,溶胶的胶凝时间延长,但对体系反应的影响相对较小,不会引起气凝胶孔结构的剧烈改变.在较小pH值或弱碱性范围内,pH值对孔形结构的影响也比较小,体系pH值增大,胶凝时间缩短,制得的气凝胶孔径分布较窄,孔型均一.当pH值大于8.5后,不利于气凝胶网络结构的形成和均匀分布,胶凝时间随pH值的增大而延长,制备的气凝胶孔径和孔型分布都比较大.     

室温条件下乙腈为溶剂炭气凝胶的制备与机理分析

与传统炭气凝胶制备不同,在室温条件下以乙腈为溶剂,间苯二酚和甲醛为前驱体,盐酸为催化剂,采用溶胶-凝胶、超临界干燥结合高温炭化工艺制备炭气凝胶(密度低至约50 mg.cm-3)。红外光谱、比表面积和孔径分布、扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射等测试表明,所制炭气凝胶是一种类石墨结构的非晶态材料,具有纳米骨架网络结构,比表面积达1 300 m2.g-1。对比不同配比气凝胶的SEM发现,气凝胶的颗粒尺寸为40 nm～70 nm。分析溶胶-凝胶过程中的温度变化和乙腈在凝胶化中作用得知,由于盐酸的催化和反应放热共同作用,实现了室温下间苯二酚和甲醛的加成和缩聚反应,并最终形成凝胶;乙腈在反应中起着一种分散剂的作用。     

利用粉煤灰常压干燥合成SiO2气凝胶的研究

为了实现粉煤灰回收利用的新途径,研究了一种利用粉煤灰为硅源常压干燥合成SiO2气凝胶的工艺.通过正交实验研究粉煤灰与氢氧化钠反应生成水玻璃的最佳工艺条件;所得水玻璃溶液通过硫酸催化或树脂交换碱催化法获得水凝胶,利用三甲基氯硅烷/乙醇/正己烷对水凝胶进行改性处理,在常压干燥下制备了SiO2气凝胶.利用BET、SEM和FTIR对气凝胶的微观结构及性质进行了研究,结果表明,所得气凝胶的比表面积为362.2～907.9m2/g、孔体积为0.738～4.875cm3/g、平均孔径为7.69～24.09nm,其中树脂交换碱催化法所得气凝胶的比表面积可达907.9m2/g,孔体积达4.875cm3/g.     

超临界干燥法制备MnO2气凝胶及其表征

以高锰酸钾和反丁烯二酸为原料,采用溶胶凝胶法和超临界干燥工艺制备了MnO₂气凝胶. 利用扫描电镜(SEM）、透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱(XPS)、BET比表面积测定、红外光谱及热重与差热等实验技术对气凝胶的多孔形态、结构特性、凝胶产物的组成进行了表征,并研究了脱水热处理温度对气凝胶结构的影响. 结果表明：选择合适的反应物摩尔比,可合成锰的平均价态接近4的MnO₂凝胶. 最终的MnO₂气凝胶为亲水型非晶态块状多孔材料,它由纳米级胶体粒子聚集而成,呈连续、相互贯通的三维多孔网络结构（粒子的平均直径约10nm,平均孔径100nm）. 气凝胶的空间网络结构特征在常规脱水温度热处理过程中不会受到明显的破坏.     

Cu/SiO2纳米复合气凝胶的制备与表征

采用含铜硅酸乙酯(CuTEOS)进行溶胶-凝胶反应来制备高Cu含量的Cu/SiO2纳米复合气凝胶,复合气凝胶中的Cu含量可在小于66%(质量分数)的范围内调节.研究了水量、催化剂浓度、溶剂量及含铜硅酸乙酯的组成对溶胶-凝胶过程的影响.本研究中Cu/SiO2纳米复合气凝胶中粒子粒径大部分小于25nm,其孔径小于50nm,比表面积在400～650m2/g范围内.     

聚氨酯基pH/温度敏感性水凝胶的结构形态

通过阴离子型端丙烯酸酯基聚氨酯(UAA)与N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)的共聚交联反应,制备了pH/温度敏感性水凝胶,分析了水凝胶的结构形态及溶胀水的状态.结果表明,凝胶相结构均匀,随聚氨酯含量的降低,凝胶的骨架变得松散,并且孔道结构增大,导致溶胀凝胶中不可冻结水含量及凝胶强度的降低.     

掺富勒烯SiO2气凝胶的制备与发光性质研究

本文利用溶胶－凝胶工艺成功地将富勒烯掺入了ＳｉＯ２气凝胶的纳米孔洞中，在Ａｒ＾＋离子激光激发下，观察到了很强的可见光发射，对该现象作了初步的解释。     

SiOC气凝胶/柔性陶瓷纤维复合材料的制备和性能

选用正硅酸乙酯(TEOS)和甲基三甲氧基硅烷(MTMS)为前驱体,用溶胶-凝胶法制备不同C/Si(原子比,下同)比的SiOC气凝胶,再用大气喷涂法将其喷涂在柔性陶瓷纤维隔热毡中制备出SiOC气凝胶/柔性陶瓷纤维复合材料。C/Si比,是影响SiOC气凝胶/柔性陶瓷纤维复合材料性能的主要因素。随着C/Si比的提高SiOC溶液的凝胶时间延长且更易浸入隔热毡,材料的密度和热导率先降低后提高。C/Si比为0.67的材料热导率最低,其室温热导率为0.026 W/m·K,1000℃时的热导率为0.174 W/m·K。与未改性的隔热毡相比,其热导率显著降低,尤其是在高温下热导率降低47%;同时,这种材料还具有优异的耐高温和抗氧化性能,在1200℃空气中静烧1 h后试样的质量损失只约为1%,静烧3 h后约为5%,随着C/Si比的提高其质量损失随之提高;同时,SiOC气凝胶复合材料还具有良好的疏水性能、柔性和回弹性。     

Aerogel insulation applications for liquid hydrogen launch vehicle tanks

Solutions to thermal insulation problems using aerogel beads were demonstrated for space launch vehicles using a model of the space shuttle external tank’s liquid hydrogen (LH₂) intertank. Test results using liquid helium show that with aerogel, the nitrogen mass inside the intertank is greatly reduced and free liquid nitrogen is eliminated. Physisorption within the aerogel was also investigated, showing that the sorption ratio (liquid nitrogen to aerogel beads) is about 62%. The insulating effectiveness of the aerogel shows that cryopumping is driven by thermal communication between warm and cold surfaces. This technology can solve heat transfer problems and augment existing thermal protection systems on launch vehicles.     

纤维素纳米纤丝-还原氧化石墨烯/聚苯胺气凝胶柔性电极复合材料的制备与性能

利用高长径比的纤维素纳米纤丝（CNF）与片层结构的氧化石墨烯（GO）形成的CNF-GO复合水凝胶经抗坏血酸还原制备出CNF-还原氧化石墨烯（rGO）复合水凝胶材料。通过冷冻干燥法得到CNF-rGO复合气凝胶,并进一步通过苯胺单体在CNF-rGO复合气凝胶的孔道内原位聚合制备出CNF-rGO/聚苯胺（PANI）气凝胶柔性电极复合材料。研究了不同苯胺、CNF和GO的质量比对CNF-rGO/PANI气凝胶柔性电极复合材料的结构形貌和电化学性能的影响。结果表明,苯胺原位聚合后所得CNF-rGO/PANI复合气凝胶仍具有紧密的三维多孔网络结构。与rGO/PANI气凝胶电极复合材料相比,CNF-rGO/PANI气凝胶电极复合材料具有更理想的电容行为。当CNF与GO质量比为60∶40,PANI添加量为0.1 mol时,CNF-rGO/PANI气凝胶电极复合材料比电容可达85.9 Fg-1,且其电化学性能几乎不受弯曲程度的影响,展现出了良好的柔韧性和电化学性能。      

稻壳裂解制备SiO2气凝胶的研究

稻壳在稀盐酸中沸煮、干燥后,于540℃裂解,制得了一种SiO₂气凝胶.ICP-AES测定结果表明了该气凝胶中SiO₂质量含量为99.99％,激光粒度仪测定其体积平均粒径为20.77μm,BET法研究表明了该气凝胶的比表面积为251m²/g.并利用XRD、IR和SEM研究了稻壳在制备气凝胶过程中的结构变化.     

二元炭质-二氧化硅干凝胶和气凝胶前驱体的制备

以正硅酸乙酯和炭质水性中间相为原料,分别制得了炭质醇溶胶和硅醇溶胶,将二者进行混合后再利用常压干燥法和超临界流体干燥法分别制备了二元炭质－二氧化硅干凝胶和气凝胶粉末．并采用氮吸附、ＦＴ－ＩＲ、ＴＥＭ和ＸＲＤ等测试手段对所制得的干凝胶和气凝胶粉末的ＢＥＴ表面积、表面形貌、结构和组成进行了表征．结果表明二元干凝胶由几乎球形的、团聚的、无定形二元炭质－二氧化硅颗粒组成,其颗粒尺寸为８０～２２０ｎｍ．而二元气凝胶具有较疏松的外观结构和良好的流动性,并且由球形的、分散性较好的、无定形二元炭质－二氧化硅颗粒组成,其颗粒尺寸为１０～６０ｎｍ．     

Carbon fiber reinforced carbon aerogel composites for thermal insulation prepared by soft reinforcement

To overcome the brittleness and the pyrolysis shrinkage of carbon aerogels, carbon fiber reinforced composites were prepared by copyrolysis of polyacrylonitrile fiber reinforced resorcinol-formaldehyde aerogel composites (PAN/RFs). The PAN/RFs were obtained by impregnating the PAN fiber felt with RF sol and then supercritical drying. Upon carbonization the PAN fiber shrinks with the RF aerogel, thus reducing the shrinkage differences between the fiber and the aerogel, and results in crack-free carbon fiber reinforced carbon aerogel composites, with a thermal conductivity of 0.073 W/m K at 25 °C in air. Our new method may greatly expand the usage of carbon aerogels in general applications.     

Promoting Electrocatalysis upon Aerogels

Electrocatalysis plays a prominent role in renewable energy conversion and storage, enabling a number of sustainable processes for future technologies. There are generally three strategies to improve the efficiency (or activity) of the electrocatalysts: i) increasing the intrinsic activity of the catalyst itself, ii) improving the exposure of active sites, and iii) accelerating mass transfer during catalysis (both reactants and products). These strategies are not mutually exclusive and can ideally be addressed simultaneously, leading to the largest improvements in activity. Aerogels, as featured by large surface area, high porosity, and self‐supportability, provide a platform that matches all the aforementioned criteria for the design of efficient electrocatalysts. The field of aerogel synthesis has seen much progress in recent years, mainly thanks to the rapid development of nanotechnology. Employing precursors with different properties enables the resulting aerogel with targeted catalytic properties and improved performances. Here, the design strategies of aerogel catalysts are demonstrated, and their performance for several electrochemical reactions is reviewed. The common principles that govern electrocatalysis are further discussed for each category of reactions, thus serving as a guide to the development of future aerogel electrocatalysts.