气凝胶及其复合材料在能源相关技术中的应用

气凝胶最早是由塞缪尔·基斯特勒于1932年合成的，他将气凝胶定义为在孔隙液体与气体交换后保持其孔隙和网络结构完整的材料。超临界干燥是防止湿凝胶交换过程中网络崩溃的关键技术。总的来说，气凝胶是一种密度非常低的多孔材料的特殊形式，它由单个纳米颗粒组成，这些颗粒相互连接形成一个三维网络。这些具有开孔和高比表面积的高孔材料的独特性能归因于其不规则的固体结构，可以通过适当的制备条件进行调节。

基斯特勒合成了多种无机气凝胶，包括二氧化硅、氧化铝、氧化钨、氧化铁、氧化锡和酒石酸镍。除无机气凝胶外，基斯特还制备了以纤维素、硝化纤维素、琼脂为基础的有机气凝胶。1989年帕卡拉开发间苯二酚甲醛气凝胶后，有机气凝胶的面积迅速扩大。随后，开发了苯酚甲醛、三聚氰胺甲醛、聚丙烯酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚氰尿酸盐、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚氨酯和环氧气凝胶。这些研究随后导致了一类新的多孔炭的开发，即通过有机气凝胶的热解获得的碳气凝胶。由于在热解过程中失去了氧和氢的功能，它们是高纯碳结构。如今，科学家们仍在开发比目前的气凝胶性能更优越的新型气凝胶，用于多种用途。石墨烯气凝胶或金属硫系气凝胶可作为这些新型气凝胶的例子。

合成及其能量相关应用

凝胶技术是制备任何类型气凝胶的常用方法。金属醇盐是合成无机气凝胶常用的化学前驱体，而有机单体是合成有机气凝胶的前驱体。水解和缩合反应形成分散在溶液中的独立胶体颗粒，称为溶胶。随后在该溶液中发生的缩合反应导致形成凝胶，凝胶是一个连续的刚性网络，由亚微米大小的孔组成，孔中充满平均长度大于微米的液体链和聚合物链。由于这些水解和缩合反应对控制网络结构很重要，因此得到了广泛的研究。这些凝胶，也称为湿凝胶（或醇凝胶），首先在适当的溶液中老化，以完成未完成的水解和缩合反应，并加强固体网络。然后通过溶剂交换步骤，将孔内液体与溶于超临界二氧化碳的溶剂交换。超临界干燥是气凝胶制备过程中的最后一步，其目的是在不使气凝胶孔坍塌的情况下，从气凝胶孔中除去溶剂。

气凝胶具有低导热性、低声速、高光学透明性、高导电性和高比表面积等优异性能，是一种很有发展前途的新型能源相关技术材料。气凝胶可用于隔热、催化、光催化、吸附和储能。市场上已经有各种各样的气凝胶保温产品。气凝胶作为燃料电池（FCs）电催化剂的载体，作为CO2脱除或H2储存的吸附剂，以及作为双电层（EDL）电容器储能元件的研究正在进行中。

二氧化硅气凝胶是研究最广泛的无机气凝胶类型，主要是由于其优越的隔热性能。它们属于传统溶胶-凝胶法合成的介孔材料，具有密度低、孔径分布窄、导热系数低、比表面积大、透明性好等特点。这些气凝胶的物理化学性质取决于前驱体的化学性质、反应物浓度、反应条件和干燥工艺等多种因素。各种形式的二氧化硅气凝胶，如整体、颗粒或粉末，已用于隔热目的。二氧化硅气凝胶还具有良好的性能，使其适合用作隔音材料、吸附剂、催化剂或存储介质。由于无孔有机材料在可比条件下比无机材料具有更低的热导率，有机气凝胶也有望用于隔热应用。这些有机气凝胶的制备基于相同的溶胶-凝胶技术，即多功能有机单体在超临界干燥之前在稀溶液中聚合。最常见的有机气凝胶是间苯二酚甲醛气凝胶，它是由间苯二酚和甲醛的碱催化水溶液缩聚，然后经过固化、溶剂交换和超临界干燥等一系列步骤制备而成。这些有机气凝胶的多孔网络结构与无机气凝胶相似。它们也被用作吸附剂、减震器、核废料储存材料、电池、传感器和催化。

碳气凝胶是通过间苯二酚-甲醛气凝胶在惰性气氛下高温热解碳化得到的。与其他气凝胶一样，通过改变合成条件，可以调整这些开孔结构的介孔和微孔固体的孔径和粒径。它们具有高孔隙率、高比表面积、低密度和锐利的孔径分布。碳气凝胶作为高温热绝缘体、超级电容器中的电极和FCs中的气体扩散层等能源相关技术的例子，非常吸引人。近年来发展起来的石墨烯气凝胶具有很高的热导率，在储能、催化和传感器等领域有着广阔的应用前景。