納米材料炭氣凝膠研究論文

1、納米材料炭氣凝膠的研究綜述日期：2013/4/24目錄納米材料炭氣凝膠的基本特征i1.1納米材料概述11.2氣凝膠的基木特征概述11.3炭氣凝膠的發(fā)展狀況2二炭氣凝膠的制備工藝32.1溶膠凝膠及老化過程32.2凝干燥過程42.3高溫炭化過程4三炭氣凝膠的應用研究進展43.1在電化學方面的應用53.2作隔熱材料53.3其他領域應用6四參考文獻6一納米材料炭氣凝膠的基本特征具有知識經(jīng)濟時代特征的21世紀,將是生命科技和信息科技高速發(fā)展和廣泛 應用的時代,而納米科學和技術將促進包括生命科技、信息科技在內的幾乎所冇 技術的飛速發(fā)展。能源、信息和材料被認為是現(xiàn)代國民經(jīng)濟的三大支柱,新型材 料的研究、開發(fā)

2、與應用直接反映一個國家科學技術與工業(yè)水平高低納米材料和 納米結構是當今新材料研究領域屮最富冇活力，對未來經(jīng)濟和社會發(fā)展有著十分 重耍影響的研究對象，也是納米科技中最為活躍、最接近應用的重耍組成部分。1.1納米材料概述納米（nanometer,nm）是一種幾何尺寸的度量單位，一納米為十億分之一米。 納米材料是指三維空間尺度至少有一維處于納米量級（0一 10偽m）的材料，包括 納米顆粒（零維材料），直徑為納米量級的、管、線（一維材料），厚度為納米量級的薄 膜與多層膜（二維材料），以及基于上述低維材料所構成的致密或非致密固體。納米 科學技術是基于納米尺度的物理學、化學、材料學、生物學、電子學、信息等

3、多 學科構成的一個綜合學科交叉體系。一般說來納米科學是研究納米尺度范疇內原 子、分子和其它類型物質運動和變化的科學，而在同樣尺度范圍內對原子、分子 等進行操縱和加工的技術則為納米技術（nanot.ochnology）o由于納米材料的尺度 處于原子簇和宏觀物體交界的過渡域,是介于宏觀物質與原子或分子間的過渡亞 穩(wěn)態(tài)物質，相對傳統(tǒng)固體材料，納米材料具有顯著的量子尺寸效應、表而與介而效 應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應，并口表現(xiàn)出奇異的力學、電學、磁學、光 學、熱學和化學特性川1.2氣凝膠的基本特征概述氣凝膠，又稱為干凝膠。當凝膠脫去大部分溶劑，使凝膠屮液體含量比固體 含量少得多，或凝膠的空間網(wǎng)狀結

4、構中充滿的介質是氣體，外表呈固體狀，這即 為干凝膠，也稱為氣凝膠。如明膠、阿拉伯膠、硅膠、毛發(fā)、指卬等。氣凝膠也 具凝膠的性質，即具膨脹作用、觸變作用、離漿作用。氣凝膠是一種固體物質形態(tài)，世界上密度最小的固體。密度為3kg/每立方米。 一般常見的氣凝膠為硅氣凝膠，其最早由美國科學工作者kistler在1931年制得。 氣凝膠的種類很多，有硅系，碳系，硫系，金屬氧化物系，金屬系等等。aerogel 是個組合詞，此處aero是形容詞，表示飛行的，gel顯然是凝膠。字面意思是可 以飛行的凝膠。任何物質的gel只要可以經(jīng)干燥后除去內部溶劑后，又可基本保 持其形狀不變，且產(chǎn)物高孔隙率、低密度，則皆可以稱

5、z為氣凝膠。1.3炭氣凝膠的發(fā)展狀況第一塊氣凝膠的問世始于1931年,美國斯坦福大學的瓦stler將硅酸鈉和鹽酸 混合 反應生成水凝膠，用乙醇置換其中的水得到醇凝膠，在高于乙醇臨界點的條件下進 行干燥，使凝膠孔隙屮充滿氣體，即得到硅氣凝膠，后來ktle:制備了金屈氧化物和 明膠等系列氣凝膠ktlei的工作一直未得到人們的重視，直到六十年代才有人重復 他的工作。1968年nicoloan利用硅酸一步溶膠一凝膠過程制備岀氧化硅氣凝膠, 使凝膠的千燥周期大大縮短，推動了氣凝膠的研究進展。此后透明塊狀氧化硅氣 凝膠廣泛應用于切侖可夫測器。凝膠作為太陽能收集器的透光覆蓋層也獲得了專 利。這些實際應用的成

6、功引起了科學家對氣凝膠研究的興趣，在二十世紀八十年 代關于氣凝膠的研究空前活躍?？茖W家們研究氣凝膠奇異的物理特性，探索氣凝 膠的微結構，開發(fā)新的氣凝膠工藝過程和制備工藝路線。1985年tewari使用二氧化碳作為超臨界干燥介質，成功地進行了濕凝膠的干 燥,使干燥溫度降至室溫，提高了設備的安全可靠性，推動了氣凝膠的商業(yè)化進程。 wofgnier和phalippou采用三點彎曲技術(tbree pointbending)測定了硅氣凝膠的 機械性能。他們發(fā)現(xiàn)氣凝膠的彈性模量y與其密度p成止比關系也就是說模量 取決于氣凝膠的合成條件。這一結果后來被lemay及其同事在l-encelivermore 國

7、家實驗室采用單軸壓縮法(所得實驗結果證實。brinker及其同事在sandia國家 實驗室首次合成了硼酸氣凝膠161,他們同時詳細研究了硅的水解和縮聚反應, 捉岀了目前最為完善的凝膠動力學生長模型。研究者可以利用這些模型來控制氣 凝膠的微結構，預測氣凝膠的物理特性。tiiliotson和hrubesh對brinker所提出的 兩步溶膠-凝膠法進行改進，制備出超低密度,高孔隙率(99.8%)的塊狀硅氣凝膠。這些氣凝膠現(xiàn)在已被nasa用在太空飛船上。2013年浙江大學高分子系高超課題組以模板冷凍法成功制備岀超輕氣凝膠, 文章在線發(fā)表在先進材料上(adv. mater., 2013, doi: 10

8、.1002/adma.201204576)o 他們受到體育館等大型建筑結構的啟示，以二維納米材料石墨烯為壁、一維納米 材料碳納米管為骨，i辦同組裝成了純碳氣凝膠。氣凝膠的密度可很容易地進行調 節(jié)，最低可達到0.16mg/cm3,且可大量制備。該材料貝有無溫度依賴的超彈性, 當壓縮80%后仍可彈回，對冇機溶劑具冇超快、超高吸附力，依據(jù)不同的溶劑密 度可達到215-913倍，為已報道的最高吸油力物質，且可循環(huán)使用。二炭氣凝膠的制備工藝目雖然相繼開發(fā)了一些制備炭氣凝膠的新原料，但制備工藝過程總體相似，基 本分為三步:溶膠凝膠及老化過程、膠干燥過程及高溫炭化過程。2.1溶膠凝膠及老化過程制備炭氣凝膠的

9、第一步是在體系屮形成凝膠。從溶膠或溶液出發(fā)都能得到凝 膠，關鍵是膠粒間的相互作用力是否足夠強，以致克服膠粒一溶劑間的相互作用。 對于溶膠形成凝膠可以認為是聚沉過程的一個特殊階段，與完全聚沉不同之處在 于凝膠體系只失去聚結穩(wěn)定性，仍具有動力穩(wěn)定性，不生成沉淀。大分了溶液形成 凝膠的過程與結晶過程有些相似。由于大分子鏈很長，且有柔性，所以不能完全伸 展，只能在較小區(qū)域內發(fā)生纏繞、交聯(lián)，形成聚合物小簇，進一步形成凝膠。大分子 溶液形成凝膠通常可以通過改變溫度或加入非溶劑來實現(xiàn)，也有人認為:利用溶劑 化效應和空間位阻效應，或使膠粒農面帶電荷可以實現(xiàn)溶膠向凝膠的轉變。由溶膠形成凝膠的貝體方法有:(1)膠

10、體粉末溶膠的凝膠化：(2)無機鹽或金屬 醇鹽為前驅體經(jīng)水解縮聚形成凝膠；(3)利用化學反應產(chǎn)生不溶物,并控制反應條 件得到凝膠。溶膠凝膠法因(a)反應條件溫和，通常不需要高溫高壓,對設備技術要 求不高;(b)體系化學均勻性好;(c)所得產(chǎn)品純度高，粒徑分布均勻,粒度分布窄;(d) 可以通過改變溶膠凝膠過程參數(shù)，裁剪控制納米材料的顯微結構等特點目前正日 益成為新材料合成的首選方法。2.2凝干燥過程雖然溶膠一凝膠過程能通過低溫化學手段剪裁、控制材料的顯微結構，但凝 膠的千燥是溶膠一凝膠工藝中至關重要而又較為困難的一步。由于凝膠在干燥過 程中易發(fā)生彎曲、變形和開裂，所以凝膠的干燥條件耍求較為苛刻。干

11、燥條件稍 有不當，便會導致整個過程的失敗。干燥過程中引起骨架收縮和變形的作用力主 要有毛細張力、滲透張力、分離張力和濕度張力等。維持凝膠基本網(wǎng)絡結構的基 礎上提高干燥速率是溶膠一凝膠工藝工業(yè)化的前提。通常釆用以下措施:(1)通過 改變合成條件或添加有機改性劑以增加凝膠的孔徑，可以有效減小毛細張力;(2) 添加表面活性劑使凝膠衣面疏水;采用消火氣液界面的超臨界干燥法;(4)采用 冷凍干燥法蒸發(fā)溶劑。其中較為有效的維持凝膠織構的干燥技術是超臨界干燥技 術。2.3高溫炭化過程體型交聯(lián)結構的冇機氣凝膠經(jīng)過炭化處理可以得到具冇低電阻率的炭氣凝 膠。炭氣凝膠繼承了有機氣凝膠的基木網(wǎng)絡結構，因此控制有機氣凝

12、膠結構的因 索同樣控制著炭氣凝膠的網(wǎng)絡結構。當溶膠一凝膠體系催化劑濃度較高時，炭化 過程氣凝膠的體積收縮較大。影響炭氣凝膠結構的因素除與初始合成溶液的催化劑濃度等因素有關外，還 與炭化工藝條件密切相關,如炭化終溫、升溫速率、維溫時間及載氣流速等。炭 氣凝膠是有機氣凝膠在1273k左右的炭化產(chǎn)物，沒有完全石墨化，屈于硬炭。用在 線紅外光譜結合tga和dsc技術跟蹤間苯二酚甲醛氣凝膠的熱解過程，發(fā)現(xiàn) 873k之后炭氣凝膠屮擊現(xiàn)石墨化結構隨熱解溫度從1273k升高到2073k,炭氣凝 膠中的帶狀石墨化結構逐漸出現(xiàn)平面有序。三炭氣凝膠的應用研究進展由于氣凝膠是一種具有納米網(wǎng)絡結構的多孔材料，在力學、聲

13、學、電學、熱 學及光學等領域均顯示出獨特的性質。它們明顯不同于孔隙結構在微米、毫米量 級的多孔材料，其纖細的納米結構使得材料的熱導率極低，具有很高的比表面積, 很好的導電性，對光聲的散射均比傳統(tǒng)的多孔材料小得多。所冇這些不僅使得氣 凝膠在基礎研究領域引起人們的興趣，而且在許多領域蘊藏著廣泛的應用前景。3.1在電化學方面的應用電化學雙電層電容器(edlc),是一種比常規(guī)電容器電容大20 - 200倍的獨特 電容器。它能捉供比電解電容器更高的能量密度，比電池更高的功率密度和循環(huán) 壽命。近年來人們一直致力于開發(fā)高功率密度和高能量密度的電化學電容器，以 改進電動汽車和混合汽車的主能系統(tǒng),依據(jù)不同的分類

14、標準,edlc冇許多不同類 型。根據(jù)所用的電極材料可分為炭電極edlc,金屬氧化物電極edlc和聚合物 電極edlco炭材料由于大的比表面積,良好的加工性和低廉的價格，是最為普遍 采用的電極材料。另外炭材料表而存在的含氧官能團可產(chǎn)生一定量的準電容，從 而提高edlc的比電容。氣凝膠是一種新型納米多孔材料，具有很高的比表面積, 可控的孔徑分布和低電阻率等特點，利用炭氣凝膠做無粘結劑的電極材料具冇廣 闊的商業(yè)化前景。3.2作隔熱材料徳國wuerzberg大學在氣凝膠熱導特性方面的研究處于領先地位。他們系統(tǒng) 研究了氣凝膠的熱傳輸機理。納米多孔氣凝膠具有極低的熱導率，其熱導率由氣 相熱導率、固相熱導率

15、和輻射熱導率組成。降低空氣壓力是降低氣凝膠氣相熱導 率的有效途徑，壓力減少到o.olbar吋，氣相熱導率可以忽略不計，固相和輻射熱導 率z和僅為0.01w/m ko硅氣凝膠和炭氣凝膠具有良好的熱穩(wěn)定性，可在高溫環(huán)境下作超級隔熱材 料。據(jù)估算室內供暖所耗能量的30%是通過窗戶散失的，由于口前建筑物窗戶朝 大型化發(fā)展，通過窗戶所散失的能量不斷增加，因此嚴寒地區(qū)窗戶節(jié)能問題己引起 人們的關注。硅氣凝膠是理想透明隔熱材料,以硅氣凝膠窗代替普通的雙層玻璃 窗,既節(jié)省燃料乂減少大氣污染，同時還具有隔咅的作用。由于硅氣凝膠是一種理 想的透明隔熱材料,徳國、比利時、英國、等數(shù)家公司聯(lián)合開展硅氣凝膠窗的開 發(fā)研究。冰箱口前采用的隔熱材料是含大量氟里昂氣體的聚氨脂泡沫，氟里昂對 人類的生存環(huán)境有不良影響，止逐步被淘汰。氣凝膠是很好的候選材料，從烤箱、 熱水瓶、冰箱到液化氣罐氣凝膠都具有潛在的應用價值，一旦生產(chǎn)工藝取得突破, 成木降低，氣凝膠作隔熱材料將得到推廣應用。3.3其他領域應用高表面積的氣凝膠還可以作催化劑和催化劑載體。氣凝膠在催化領域的應用涉及到冇機 化合物的部分氧化、加氫反應、乙烯聚合、一氧化碳和二氧化碳與氫的反皿及氧化氮的氨述 原反應等。西班牙的carlosmc等在溶膠一凝膠過程加入笫六族金屈鹽制備了炭氣凝膠金屬 氧化物復合物，其屮氧化鉤復合的炭