纳米多孔气凝胶材料在催化和吸附领域的应用

采用溶胶－凝胶法和超临界干燥工艺制备而成的气凝胶是一种新型的多孔非晶固态材料，具有独特的纳米多孔网络结构以及极低的密度、高比表面积和高孔隙率等特性，蕴藏着广阔的应用前景。本文通过对气凝胶材料结构性能的分析，对其在纳米催化和吸附分离净化领域的应用进行了综述和展望。
关键词：气凝胶；催化剂；吸附剂

气凝胶（aerogels）是一种新型的轻质纳米级多孔非晶材料，是由纳米量级超细粒子或高聚物分子相互聚结构成纳米多孔网络结构，并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料。气凝胶具有连续的网络结构，在微观上具有纳米尺度的均匀性，孔洞尺寸和颗粒直径范围均为纳米量级(1～100nm)，其独特的开放性纳米级多孔结构和连续的三维网络，使之具有极高的的比表面积和孔隙率，并具有极低的密度，是目前合成材料中最轻的凝聚态材料之一，通常比表面积达200～1000m2·g-1，孔隙率可达80%～99.8%，而密度变化范围可达3～600kg·m-3。
源于其独特的纳米结构，气凝胶的力学、声学、光学、热学等特性明显不同于相应的宏观非晶固态材料，表现出强吸附催化能力、低折射率、低弹性模量、低声阻抗、低热导率等特性。因此气凝胶被广泛用于催化剂及其载体[1,2]、吸附剂及气体过滤材料、Cherenkov探测器[3,4]、声阻抗耦合材料[5]、高效隔热材料[6]等领域。近年来气凝胶的研究异常活跃，在制备和性能的基础及应用研究方面已取得了引人注目的成绩。从1975年至今，仅被SCI收录的文献就有1000多篇，且近几年每年发表200多篇。这些数据显示了气凝胶材料对物理学家、化学家及材料学家的巨大吸引力，是一种具有许多特殊性质和广阔应用前景的新型纳米材料，而美国第250期《科学》杂志则将其列为十大热门技术之一。
2 气凝胶的制备
气凝胶的制备技术可以追溯到上世纪初，早在1931年美国斯坦福大学的化学家Kisteler S.S.就首次成功制备出了硅气凝胶[7]。迄今为止已经研制出的气凝胶材料有几十种，它们可分为无机气凝胶、有机气凝胶、碳气凝胶以及有机无机混合气凝胶等。其中，无机气凝胶研究的最多，包括单组分气凝胶和多组分气凝胶。气凝胶的制备通常由两个过程构成，即溶胶-凝胶过程(sol-gel)和超临界干燥(SCFD)。
2.1 湿凝胶的形成
无机气凝胶的制备一般选用金属有机物或无机盐作为原料，通过溶胶-凝胶过程制备湿凝胶。在溶胶－凝胶过程中，通常都是以金属有机化合物为母体，在一定条件下通过水解－缩聚反应在反应物溶液中首先形成一次粒子，粒子长大形成溶胶，溶胶粒子相互交联，先聚集形成一个个团簇，这些团簇不断扩大并相互连接，最后就会形成无序、枝状具有纳米量级网络结构的凝胶体。由于网络结构周围充满了液体溶剂，故此时的凝胶称为湿凝胶。已形成的凝胶体系还将发生老化过程，溶液中的溶液中的溶胶粒子和小凝胶团簇继续聚集粘连，从而扩展到整个凝胶网络。老化过程会使凝胶总体比表面积下降，网络的孔径分布、组成网络的胶体颗粒半径的分布变窄，凝胶的网络变得更加坚固和稳定[8]。