納米多孔氣凝膠材料在催化和吸附領域的應用

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材料，具有獨特的納米多孔網絡結構以及極低的密度、高比表面積和高孔隙率等特性，蘊藏著廣闊的應用前景。本文通過對氣凝膠材料結構性能的分析，對其在納米催化和吸附分離凈化領域的應用進行了綜述和展望。
關鍵詞：氣凝膠；催化劑；吸附劑

氣凝膠（aerogels）是一種新型的輕質納米級多孔非晶材料，是由納米量級超細粒子或高聚物分子相互聚結構成納米多孔網絡結構，并在孔隙中充滿氣態分散介質的一種高分散固態材料。氣凝膠具有連續的網絡結構，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構和連續的三維網絡，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材料之一，通常比表面積達200～1000m2·g-1，孔隙率可達80%～99.8%，而密度變化范圍可達3～600kg·m-3。
源于其獨特的納米結構，氣凝膠的力學、聲學、光學、熱學等特性明顯不同于相應的宏觀非晶固態材料，表現出強吸附催化能力、低折射率、低彈性模量、低聲阻抗、低熱導率等特性。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]等領域。近年來氣凝膠的研究異?；钴S，在制備和性能的基礎及應用研究方面已取得了引人注目的成績。從1975年至今，僅被SCI收錄的文獻就有1000多篇，且近幾年每年發表200多篇。這些數據顯示了氣凝膠材料對物理學家、化學家及材料學家的巨大吸引力，是一種具有許多特殊性質和廣闊應用前景的新型納米材料，而美國第250期《科學》雜志則將其列為十大熱門技術之一。
2 氣凝膠的制備
氣凝膠的制備技術可以追溯到上世紀初，早在1931年美國斯坦福大學的化學家Kisteler S.S.就首次成功制備出了硅氣凝膠[7]。迄今為止已經研制出的氣凝膠材料有幾十種，它們可分為無機氣凝膠、有機氣凝膠、碳氣凝膠以及有機無機混合氣凝膠等。其中，無機氣凝膠研究的最多，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
無機氣凝膠的制備一般選用金屬有機物或無機鹽作為原料，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化合物為母體，在一定條件下通過水解－縮聚反應在反應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，先聚集形成一個個團簇，這些團簇不斷擴大并相互連接，最后就會形成無序、枝狀具有納米量級網絡結構的凝膠體。由于網絡結構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生老化過程，溶液中的溶液中的溶膠粒子和小凝膠團簇繼續聚集粘連，從而擴展到整個凝膠網絡。老化過程會使凝膠總體比表面積下降，網絡的孔徑分布、組成網絡的膠體顆粒半徑的分布變窄，凝膠的網絡變得更加堅固和穩定[8]。