气凝胶在节能环保领域的应用

张晓雪 刘亚丹 鞠丽 沈军

(1.同济大学物理科学与工程学院，上海 200092；2.中国绝热节能材料协会，北京 100831)

气凝胶是一种三维纳米多孔材料，最初由Kistler于1931年制得。凭借其独特的结构特性，气凝胶在热学、电学、光学等方面均表现出优异的性能。近年来，由于能源和环境所面临的空前压力，气凝胶引起了越来越多的关注。首先，气凝胶的大比表面积以及高孔隙率结构可提供众多吸附位点，使之在吸附领域受到广泛关注。其次，与传统保温隔热材料相比，气凝胶的纳米多孔网络结构使之具有极低的固态及气态热传导，在保温隔热领域表现出巨大的优势。最后，碳气凝胶不仅具有传统气凝胶的优良特性，而且具有优异的导电性，在能源领域已成为一种关注度极高的电极材料。因此，气凝胶在节能环保领域应用前景广阔。

1 环境保护应用

随着工业社会的快速发展，环境污染日益严重，目前已有的诸多净化技术中，吸附法具有成本低、适用范围广、操作简单等优点，因而在气体及液体净化领域受到了广泛关注。气凝胶凭借其自身高孔隙率、高比表面积、表面易于修饰等优良特性，被认为是一种理想的吸附材料。

1.1 气凝胶对气体的吸附净化

近年来，大气污染和全球变暖等环境问题已经对人类的生产和生活构成了严重威胁，因此有效处理大气污染物迫在眉睫。气凝胶的高孔隙率和高比表面积等特点可提供大量的表面活性位点，其开放、连通的孔隙结构有利于气体的扩散和循环，在气体吸附领域展现出广阔的应用前景。目前，在该领域的研究集中于SiO气凝胶和碳气凝胶（Carbon Aerogel，CA）对温室气体CO和挥发性有机化合物（VOCs）的吸附净化。其中SiO气凝胶主要通过氨基功能化、氮掺杂等方式引入碱性活性中心，依靠特异性化学吸附提升其对CO的吸附性和选择性。对于VOCs的吸附，主要通过引入非极性有机官能团对SiO气凝胶进行疏水改性，克服水分子的物理竞争吸附，提高湿环境下对VOCs的选择性。图1展示了气凝胶与无纺布复合制备的空气净化网和口罩，其对甲醛、甲苯等有毒气体及PM2.5等细小颗粒物均具有良好的吸附滤清效果。而CA主要通过活化的方式制造微孔，提升比表面积进而实现其对CO和VOCs的高效吸附。此外，也可通过氨基功能化、氮掺杂和引入活性金属等方式来提升CA对CO吸附性能。

图1 基于气凝胶与无纺布复合的空气净化网和口罩

1.2 气凝胶对液体的吸附净化

纺织行业的迅速发展带来了一系列的水污染问题，印染废水成分复杂，处理难度高。SiO气凝胶凭借其独特的多孔结构，成为一种高效处理染料废水的新材料。研究发现，疏水型和亲水型SiO气凝胶表面基团不同，因此处理不同染料的废水会显示出不同的效果。此外，CA也是一种高效的有机染料吸附剂。研究发现将纳米TiO加载到CA中，在吸附有机污染物的同时还可利用光催化作用将有机污染物降解掉。表1展示了CA仅仅5天内净化被污染的河塘时，主要污染物指标均大幅下降（见表1）。

表1 CA在5天时间对某河塘水体有机污染物的吸附效果

工业废水的排放及农业化肥的不合理使用均导致了水体中的重金属污染。在水体中，重金属离子主要以络合离子或含氧酸基团的形式存在，其稳定性较高不易被微生物降解，在治理方面有一定的困难。CA可通过电场（电容去离子技术）和表面络合等作用实现对重金属离子的高效吸附去除。

2 新能源应用

碳材料是目前研究最成熟的储能电极材料，而CA是一种相对较新的高性能碳基电极材料，其具有比表面积大、孔径可调、孔隙率高、导电性好、密度可调范围广等优点。因此，CA有望在高效储能领域得到大规模应用。

2.1 碳气凝胶在超级电容器中的应用

目前，碳基超级电容器已实现商业化应用，但其能量密度偏小（3～10 Wh/kg），因此开发高比能量的超级电容器已成为近期的研究重点。CA的储能方式主要是双电层电容储能，因此提升其比表面积、改善其孔隙结构、开发合适的掺杂策略对于提升其电化学性能至关重要。沈军团队探究了不同活化改性后的CA的电化学性能，研究发现两步活化不仅增加了CA的比表面积，而且获得了更好的电化学性能，表明两步活化法是更为优越的活化方式。目前，国内CA已实现工业化量产，其在水系电解液的比电容为310 F/g，在有机体系下比电容为250 F/g，居国际领先水平。表2展示了CA、氮化后的碳气凝胶（NCA）以及国际领先的日本可乐丽公司的活性炭YP50的电化学性能测试比较。实验数据显示三种碳材料的初始容量基本相同，但CA具有更低的内阻和循环稳定性，应用于超级电容器更具优势。

表2 3种碳材料用于超级电容器的性能参数对比

2.2 碳气凝胶在动力电池中的应用

CA在动力电池方面的应用也较多，其高孔隙率的特点有利于充放电过程中锂离子的嵌入和脱出。目前，CA应用于锂离子电池时主要作为导电剂或电极材料。杨伟等以CO超临界干燥制得的CA作为Li-MnO电池的导电剂，结果显示在100 mA恒流放电时其比容量高达101.0 mAh/g，远高于商业乙炔黑导电剂（76.7 mAh/g）。虽然CA可作为优异的导电剂，但更多的是直接将其用作电极材料。Luo等通过水热法成功制备了核壳结构的α-FeO@CA复合材料，测试发现在100 mA/g的电流密度下循环50次后，其可逆比容量仍高达581.9 mAh/g。Yang等制备了比表面积为2161 m/g的介孔CA，在0.1 A/g的电流密度下其比容量高达610 mAh/g，远高于商业石墨阳极（372 mAh/g）。由上述研究可知，CA可有效提升锂离子电池的充放电能力和循环稳定性，但今后仍需进一步提升其环境适应性以保障不同温度环境下的安全使用。

3 保温节能

气凝胶凭借其自身独特的三维纳米多孔结构在保温隔热领域受到了广泛关注。据相关数据显示，虽然将气凝胶用于保温领域成本较高，前期投入较大，但是其耐老化性、尺寸稳定性、易于加工等优势会带来持久的节能收益。综合而言，气凝胶是一种低热导率、高耐温性且性价比高的节能产品。

3.1 气凝胶在建筑保温管道保温中的应用

建筑能耗在人类整个能源消耗中占30%～40%，因此构造节能建筑具有十分深远的意义。以SiO气凝胶为主的各类复合材料用于建筑物的墙体保温不仅可以提升保温性能，而且可以有效阻燃，大大降低建筑能耗，提高安全性。图2展示了气凝胶在节能建筑的几个典型应用。然而，气凝胶在建筑节能领域的大规模应用也对其成本提出了更高要求。沈军团队以廉价的多聚硅（E-40）为硅源，三甲基氯硅烷（TMCS）为表面修饰剂，常压制得的SiO气凝胶（100 kg/m）在常温常压下热导率最低可达0.014 W/（m·K），仅略高于以TEOS为硅源经超临界干燥制得的SiO气凝胶（100 kg/m）的热导率（0.0125 W（m·K））。随后，该团队以更廉价的工业级水玻璃为硅源，经过TMCS和六甲基二硅醚的表面修饰常压制得了SiO气凝胶，成本的大幅下降为气凝胶在建筑领域的推广打下了坚实基础。

图2 气凝胶用于建筑保温

在管道保温中，气凝胶毡是最为常用的产品形式（如图3所示）。相对于传统保温材料而言，气凝胶毡的隔热性能提升了3～8倍，所需隔热层的厚度减薄了3～5倍。此外，凭借其柔韧性强、不易破碎、切割方便等特点，可直接放置在管道上固定安装，有效提升了施工效率。图4展示了气凝胶毡在管道保温方面的几个典型应用场景。

3.2 气凝胶在动力锂电池安全防护的应用

近年来，气凝胶保温材料在新能源汽车领域的也得到广泛应用。新能源汽车的燃烧事故频出，主要原因是车内的动力锂电池热失控燃烧爆炸。当电池发生热失控时，通过在电池舱与客舱之间铺气凝胶防火隔离层，可有效阻止火势蔓延，增加乘客的逃生时间。通过对电池单元之间以及整个电池箱进行保温绝热处理，不仅可以降低电池热失控的危害，而且可以克服电池箱体因温度过低无法正常工作的问题。目前，国内主要利用SiO气凝胶隔热片对锂电池进行防护。图5（a）和（b）分别展示了气凝胶隔热片及其用于动力电池的示意图。

图3 气凝胶毡产品

图4 气凝胶用于管道保温

图5

4 结语

气凝胶凭借其轻质、低热导、高孔隙率、大比表面积等特性，在节能环保领域的优势远远超过大多数传统材料，是我国乃至世界未来最具发展潜力的新材料之一。中共中央文件中明确指出，要“推动气凝胶等新型材料研发应用。推进规模化碳捕集利用与封存技术研发、示范和产业化应用。建立完善绿色低碳技术评估、交易体系和科技创新服务平台。”为气凝胶材料及产业发展指明了道路。