納米多孔氣凝膠材料在催化和吸附領(lǐng)域的應(yīng)用

采用溶膠－凝膠法和超臨界干燥工藝制備而成的氣凝膠是一種新型的多孔非晶固態(tài)材料，具有獨特的納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及極低的密度、高比表面積和高孔隙率等特性，蘊藏著廣闊的應(yīng)用前景。本文通過對氣凝膠材料結(jié)構(gòu)性能的分析，對其在納米催化和吸附分離凈化領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了綜述和展望。
關(guān)鍵詞：氣凝膠；催化劑；吸附劑

氣凝膠（aerogels）是一種新型的輕質(zhì)納米級多孔非晶材料，是由納米量級超細(xì)粒子或高聚物分子相互聚結(jié)構(gòu)成納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在孔隙中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)的一種高分散固態(tài)材料。氣凝膠具有連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在微觀上具有納米尺度的均勻性，孔洞尺寸和顆粒直徑范圍均為納米量級(1～100nm)，其獨特的開放性納米級多孔結(jié)構(gòu)和連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)，使之具有極高的的比表面積和孔隙率，并具有極低的密度，是目前合成材料中最輕的凝聚態(tài)材料之一，通常比表面積達(dá)200～1000m2·g-1，孔隙率可達(dá)80%～99.8%，而密度變化范圍可達(dá)3～600kg·m-3。
源于其獨特的納米結(jié)構(gòu)，氣凝膠的力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等特性明顯不同于相應(yīng)的宏觀非晶固態(tài)材料，表現(xiàn)出強(qiáng)吸附催化能力、低折射率、低彈性模量、低聲阻抗、低熱導(dǎo)率等特性。因此氣凝膠被廣泛用于催化劑及其載體[1,2]、吸附劑及氣體過濾材料、Cherenkov探測器[3,4]、聲阻抗耦合材料[5]、高效隔熱材料[6]等領(lǐng)域。近年來氣凝膠的研究異?；钴S，在制備和性能的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究方面已取得了引人注目的成績。從1975年至今，僅被SCI收錄的文獻(xiàn)就有1000多篇，且近幾年每年發(fā)表200多篇。這些數(shù)據(jù)顯示了氣凝膠材料對物理學(xué)家、化學(xué)家及材料學(xué)家的巨大吸引力，是一種具有許多特殊性質(zhì)和廣闊應(yīng)用前景的新型納米材料，而美國第250期《科學(xué)》雜志則將其列為十大熱門技術(shù)之一。
2 氣凝膠的制備
氣凝膠的制備技術(shù)可以追溯到上世紀(jì)初，早在1931年美國斯坦福大學(xué)的化學(xué)家Kisteler S.S.就首次成功制備出了硅氣凝膠[7]。迄今為止已經(jīng)研制出的氣凝膠材料有幾十種，它們可分為無機(jī)氣凝膠、有機(jī)氣凝膠、碳?xì)饽z以及有機(jī)無機(jī)混合氣凝膠等。其中，無機(jī)氣凝膠研究的最多，包括單組分氣凝膠和多組分氣凝膠。氣凝膠的制備通常由兩個過程構(gòu)成，即溶膠-凝膠過程(sol-gel)和超臨界干燥(SCFD)。
2.1 濕凝膠的形成
無機(jī)氣凝膠的制備一般選用金屬有機(jī)物或無機(jī)鹽作為原料，通過溶膠-凝膠過程制備濕凝膠。在溶膠－凝膠過程中，通常都是以金屬有機(jī)化合物為母體，在一定條件下通過水解－縮聚反應(yīng)在反應(yīng)物溶液中首先形成一次粒子，粒子長大形成溶膠，溶膠粒子相互交聯(lián)，先聚集形成一個個團(tuán)簇，這些團(tuán)簇不斷擴(kuò)大并相互連接，最后就會形成無序、枝狀具有納米量級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠體。由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)周圍充滿了液體溶劑，故此時的凝膠稱為濕凝膠。已形成的凝膠體系還將發(fā)生老化過程，溶液中的溶液中的溶膠粒子和小凝膠團(tuán)簇繼續(xù)聚集粘連，從而擴(kuò)展到整個凝膠網(wǎng)絡(luò)。老化過程會使凝膠總體比表面積下降，網(wǎng)絡(luò)的孔徑分布、組成網(wǎng)絡(luò)的膠體顆粒半徑的分布變窄，凝膠的網(wǎng)絡(luò)變得更加堅固和穩(wěn)定[8]。