百篇科普系列（97）

幾種氣凝膠材料及其應用

徐長髮，華中科技大學，2020.7.10.

為了解決海上漏油的蒐集問題，科技科技工作者希望發明一種既輕又像海綿一樣的材料，材料輕能夠飄在水上，材料多孔吸油，還能擠出油之後材料重新被再利用。

人們想到了自然界中的氣凝膠。仔細觀察，發現氣凝膠實際上是由極細的固態物質構築了一個立體框架，框架多孔，空隙中充滿空氣，氣凝膠可以在空氣中漂浮一段時間。

人們能不能做出類似於氣凝膠形狀的材料呢？

一.矽氣凝膠

製備矽氣凝膠的過程大致是這樣的：原料是水玻璃，它是可溶性矽酸鹽；適當加入聚縮物質（就像水缸中加入一點點明礬一樣）；在溶液中就形成了固體的框架，但也含有鹽類物質；用大量的離子水沖洗鹽；再用冷凍負壓乾燥的方法，把溶液去掉；還要做後處理，即做老化、防開裂等一系列處理步驟；最後得到獨特效能的氣凝膠。

矽氣凝膠是固體材料，它的基本特點是，多孔、無序、具有奈米量級連續網路結構，框架的孔隙率高；比表面積大；框架有彈性，壓縮後可以回彈；整體的密度很低，所含有的空氣佔整體的99。8%以上；它的成分和玻璃一樣，都是二氧化矽，但矽氣凝膠是世界上最輕的固體。

矽氣凝膠是目前隔熱效能最好的固體材料，在民用方面，玻璃、牆體、冰箱、管道的隔熱，其效果非常好；特別是在航空、航天、軍事中，越來越多地使用這種好的隔熱材料。

矽氣凝膠具有巨大的孔隙率和巨大的比表面積，是做催化劑的最佳結構，但是它的隔熱性又阻礙了催化過程；科學工作者想出辦法，把氧化鈦溶液和二氧化矽溶液混合後再做氣凝膠；於是就製成同時含有“氧化鈦-二氧化矽”的氣凝膠催化劑。從中人們得到啟發，可以製成多種多樣的氣凝膠催化劑。

矽氣凝膠具有非常好的隔音效果，原因是空隙小，再加上它耐高溫、抗老化、耐腐蝕，所以把它用於玻璃之間的隔音層、聲學儀器的隔音裝置都有極好的效果。

矽氣凝膠做積體電路的襯底效果好，因為它絕緣性好，耐擊穿電壓相對高，熱膨脹係數與矽材料接近，熱穩定性好。它將取代以前通用的襯底材料。

矽氣凝膠獨特的性質引起人們在基礎研究方面的興趣。科技工作者希望不同的氣凝膠能夠解決不同的應用目的。

二．碳氣凝膠

受到矽氣凝膠製作方法的啟發，人們用一種可以碳化的有機材料，配置成有

機材料的溶液，加進凝結劑，製成有機的氣凝膠，在惰性氣體中高溫碳化處理，於是就得到了碳氣凝膠。

這裡介紹的僅僅是一種直觀製作碳氣凝膠的方法，現在已經有其它的可以批次生產的方法了。

碳氣凝膠是一種奈米尺度三維網路結構，網路結構有彈性，比表面積非常大，整體重量特別輕，是一種新型碳素材料。

碳氣凝膠，它一是氣凝膠類的，二是碳質的，這就決定了它的眾多的應用。下面列舉幾個例子。

1.用作燃料電池電催化劑載體或電催化劑

碳氣凝膠及其複合材料因具有比表面積大、電化學效能穩定以及導電性等特點，在燃料電池中主要被作為電催化劑的載體或直接作為電催化劑。

2.用作鉛酸電池負極材料

在鉛酸電池負極中引入碳氣凝膠（稱為鉛碳電池）可減少負極的硫酸鹽化，增強電荷接受能力，可降低充電電壓，從而提高效率並減少正極板的腐蝕延長迴圈壽命，提高儲能效能。

3.用作鋰離子電池的正極材料

在鋰離子電池的正極中加入碳氣凝膠材料，可形成電容性鋰離子電池，在不

顯著降低能量密度的情況下，可提高其比功率和壽命。

4.用作環保處理材料

現有的環保技術在處理廢水中的金屬離子時，一般採用離子交換法，加熱蒸發方法，反相滲透方法；與之相比，碳氣凝膠進行電吸附去除溶液中的金屬離子具有很多優勢，包括可以再生、減少了二次汙染，節約能量；超高比表面積、超低密度、良好的化學惰性、耐腐蝕性和高壓縮的力學特性，透過對錶面功能團的修飾可作為選擇性油水分離吸附劑，且可以透過蒸餾或燃燒重複使用。集大孔、介孔和微孔結構能產生強烈的熱電子效應並提高光熱轉化效率，碳氣凝膠可以進行海水淡化、硬水軟化和汙水處理的材料。

5.用作催化劑載體

高比表面積、高孔隙率、低密度且穩定性較好的網路結構是催化劑載體的最佳材料之一，只要把催化劑奈米微粒有效地結合在碳氣凝膠中，就可以做出塊狀的催化劑材料。

6.用作生物醫療材料

碳氣凝膠具有高孔隙率、生物機體相容性及可生物降解特性，因而在醫學領域具有廣泛用途，可應用於診斷劑、人造組織、人造器官、器官元件等。特別適用於藥物控制釋放體系，可獲得很高的藥物擔載量。

7.用作儲氫材料

碳氣凝膠具有高比表面積、低密度、連續的網路結構且孔洞尺寸很小又與外界相通，在低壓條件下具有優良的吸、放氫效能，是目前潛在最優的奈米碳基固態儲氫材料之一。

軍事及航天領域

與傳統絕熱材料相比，奈米孔氣凝膠超級絕熱材料可以用更輕的質量、更小

的體積達到等效的隔熱效果。這一特點使其在航空、航天應用領域具有舉足輕重的優勢。如果用作航空發動機的隔熱材料，既起到了極好的隔熱作用，又減輕了發動機的重量。作為外太空探險工具和交通工具上的超級絕熱材料也有很好的應用前景。

直觀地，碳氣凝膠隔熱效能非常好，人們設想，把矽氣凝膠和碳氣凝膠結合起來，用於冰箱和其它製冷裝置的隔熱材料，效果一定很好。

三．石墨烯氣凝膠

希望用石墨烯碎片製作氣凝膠，可使用通常的製作方法，即“溶液”-“凝聚”-“固化”方法，但是該方法不能保證材料的形狀。

科技工作者想出來一種簡單的製作方法：1）將石墨烯粉末、碳奈米管與去離子水配成一定濃度的水溶液；超聲震盪均勻；2）在較高溫度下製備出石墨烯有機水凝膠；3）將石墨烯有機水凝膠放入氨水中浸泡；4）低溫低壓乾燥。這樣就得到了較高彈性的石墨烯氣凝膠。

該方法簡單宜行。只要改變容器，就可以獲得任意形狀的“碳海綿”，可以大規模製造。

石墨烯氣凝膠有很高的彈性，被壓縮80%後仍可恢復原狀，密度僅為空氣的1/6。它除了氣凝膠特點，比表面積特別大、比重輕之外，還具有碳質和石墨烯質地的特性。於是會帶來眾多的應用。

石墨烯氣凝膠對有機溶劑具有超快、超高的吸附力，是迄今已報道的吸油力最高的材料。而且只吸油不吸水。如果把它們撒在海面上，它能把漏油迅速地吸收進來，再壓擠出油份，材料又可以回收利用。每1克石墨烯氣凝膠能吸收900克的汽油，是處理海洋汙染的吸油神器。

石墨烯氣凝膠，可作為新型的氣體過濾材料，液體過濾材料。

石墨烯氣凝膠，用它做電解水的電極、電解制燒鹼的電極，做氫燃料電池的電極，效果肯定很好。

石墨烯氣凝膠做超級電容的效果一定很好。

石墨烯氣凝膠作為碳質的催化劑材料一定非常好。

石墨烯氣凝膠中如果充入適當的電解液，一定可以製成新型可充電電池，它一定具有儲電容量大、內阻小、重量輕、充放電能快速、可多次重複使用等優異特性。

石墨烯氣凝膠做成薄層，從隔熱角度可以做出禦寒衣服；改進其耐衝擊性能就可以做成防彈衣；一定會有好效果。