气凝胶微球的制备及应用

doi:10.3866/PKU.WHXB201705223

物理化学学报 >> 2017, Vol. 33 >> Issue (11): 2141-2152.doi: 10.3866/PKU.WHXB201705223

气凝胶微球的制备及应用

王叙春^1,²,李金泽²,李广勇²,王锦²,张学同^2,*(),郭强^1,*()

¹ 上海大学材料科学与工程学院,上海200444
² 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所,江苏苏州215123

收稿日期:2017-04-12 发布日期:2017-08-25
通讯作者: 张学同,郭强 E-mail:xtzhang2013@sinano.ac.cn;13701947737@163.com
作者简介:王叙春，1993年生。2014年本科毕业于安徽大学化学化工学院。随后在上海大学郭强教授与中科院苏州纳米所张学同研究员的共同指导下攻读硕士学位。研究方向为石墨烯气凝胶微球的可控制备|李金泽，1989年生，2016年博士毕业于北京化工大学材料科学与工程学院，2016年7月加入中科院苏州纳米所先进材料研究部，任助理研究员，研究方向为石墨烯气凝胶微粉的制备与性能研究|李广勇，1990年生。2013年本科毕业于青岛科技大学，2016年硕士毕业于上海大学，目前在北京理工大学材料学院张学同教授的指导下攻读博士学位。研究方向为石墨烯气凝胶可控组装及性能研究|王锦，2012年获北京理工大学博士学位，2012年4月－2014年1月分别在日本东京工业大学和山形大学进行博士后研究，2014年2月加入中科院苏州纳米所，任副研究员，硕士生导师|张学同，北京理工大学博士；北京大学博士后；英国约克大学等研究助理；2008年加入北京理工大学，先后担任教授、博士生导师；2013年加入中国科学院苏州纳米所，任“百人计划”研究员、博士生导师、研究部副主任等职务|郭强，清华大学博士；先后在机械部上海材料研究所、德国汉堡工业大学工作和进修。2002年至今任上海大学教授、博士生导师。现兼任中国材料研究学会理事、中国机械工程学会摩擦学分会理事、材料分会高分子材料专委会委员
基金资助:
国家自然科学基金(51572285);国家自然科学基金(21373024);国家自然科学基金(21404117);科技部(2016YFA0203301)

Fabrication and Performance of Various Aerogel Microspheres

Xu-Chun WANG^1,²,Jin-Ze LI²,Guang-Yong LI²,Jin WANG²,Xue-Tong ZHANG^2,*(),Qiang GUO^1,*()

¹ School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, P. R. China
² Suzhou Institute of Nano-tech and Nano-bionics, Chinese Academy of Sciences, Suzhou 215123, Jiangsu Province, P. R. China

Received:2017-04-12 Published:2017-08-25
Contact: Xue-Tong ZHANG,Qiang GUO E-mail:xtzhang2013@sinano.ac.cn;13701947737@163.com
Supported by:
The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(51572285);The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(21373024);The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(21404117);National Key Research and Development Program of China(2016YFA0203301)

摘要/Abstract

摘要：

气凝胶由于其优异的理化性能和广阔的应用前景，近年来的发展十分迅速。然而传统的气凝胶多为块体材料，一定程度上忽略了特殊应用场景下对尺寸和形状的特定需求。将气凝胶材料制备成微球，一方面能够拓宽气凝胶材料的应用领域，另一方面也丰富了多孔微球材料的内涵。本文从几类主要的气凝胶体系（氧化硅气凝胶、纤维素气凝胶、间苯二酚-甲醛（RF）/碳气凝胶和石墨烯气凝胶）出发，综述了这些气凝胶微球的制备方法及其应用实例，并对气凝胶微球的研究现状及发展趋势做了简要评述。

关键词: 气凝胶, 微球, 氧化硅, 纤维素, 石墨烯

Abstract:

Aerogels have been developed rapidly in recent years due to their excellent physicochemical properties and broad range of applications. However, most efforts have been devoted to traditional aerogel 3D monoliths, and particular requirements regarding the shape and size of the aerogels for some special uses have been neglected. Shaping aerogel into microspheres, that is, the fabrication of aerogel microspheres, may facilitate potential applications and extension of the range of applications of porous microspheres. Herein, we will present the fabrication and performance of various aerogel microspheres such as silica aerogel microspheres, cellulose aerogel microspheres, RF/carbon aerogel microspheres, and graphene aerogel microspheres. The current challenges and future developments of the aerogel microspheres are also discussed briefly in this review.

Key words: Aerogel, Microsphere, Silica, Cellulose, Graphene

王叙春,李金泽,李广勇,王锦,张学同,郭强. 气凝胶微球的制备及应用[J]. 物理化学学报, 2017, 33(11), 2141-2152. doi: 10.3866/PKU.WHXB201705223

Xu-Chun WANG,Jin-Ze LI,Guang-Yong LI,Jin WANG,Xue-Tong ZHANG,Qiang GUO. Fabrication and Performance of Various Aerogel Microspheres[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33(11), 2141-2152. doi: 10.3866/PKU.WHXB201705223

链接本文: https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201705223

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2017/V33/I11/2141

参考文献

1	Kistler S. S. Nature 1931, 127, 741.
2	Tewari P. H. ; Hunt A. J. ; Lofftus K. D. Mater. Lett. 1985, 3 (9), 363.
3	Russo R. E. ; Hunt A. J. J. Non-Cryst. Solids 1986, 86 (1), 219.
4	Smith D. M. ; Stein D. ; Anderson J. M. ; Ackerman W. J. Non-Cryst. Solids 1995, 186, 104.
5	Pierre A. C. ; Pajonk G. M. Chem. Rev. 2002, 102 (11), 4243.
6	Wang X. ; Liu L. ; Wang X. ; Bai L. ; Wu H. ; Zhang X. ; Yi L. ; Chen Q. J. Solid State Electrochem. 2010, 15 (4), 643.
7	Hrubesh L. W. ; Coronado P. R. ; Satcher J. H. Jr. J. Non-Cryst. Solids 2001, 285 (1–3), 328.
8	Husing N. ; Schubert U. Angew. Chem. Edit. 1998, 37 (1-2), 23.
9	Cheng C. M. ; Vanderhoff J. W. ; EI-Aasser M. S. J. Poly. Sci. 1992, 30, 245.
10	Okubo M. T. N. Colloid & Polym. Sci. 1992, 270 (9), 853.
11	Yun S. ; Luo H. ; Gao Y. RSC Adv. 2014, 4 (9), 4535.
12	Liao S. ; Zhai T. ; Xia H. J. Mater. Chem. A 2016, 4 (3), 1068.
13	Zhai T. ; Zheng Q. ; Cai Z. ; Xia H. ; Gong S. Carbohydr. Polym. 2016, 148, 300.
14	Alnaief M. ; Antonyuk S. ; Hentzschel C. M. ; Leopold C. S. ; Heinrich S. ; Smirnova I. Microporous Mesoporous Mater. 2012, 160, 167.
15	Vazhayal L. ; Talasila S. ; Abdul Azeez P. M. ; Solaiappan A. ACS Appl. Mater. Inter. 2014, 6 (17), 15564.
16	García-González C. A. ; Jin M. ; Gerth J. ; Alvarez-Lorenzo C. ; Smirnova I. Carbohydr. Polym. 2015, 117, 797.
17	Kumar Rajanna S. ; Vinjamur M. ; Mukhopadhyay M. J. Non-Cryst. Solids 2015, 429, 226.
18	Alnaief M. ; Smirnova I. J. Supercrit. Fluids 2011, 55 (3), 1118.
19	Wang X. ; Wang X. ; Liu L. ; Bai L. ; An H. ; Zheng L. ; Yi L. J. Non-Cryst. Solids 2011, 357 (3), 793.
20	Kim N. K. J. Vac. Sci. Technol., A 1989, 7 (3), 1181.
21	Cai H. ; Sharma S. ; Liu W. ; Mu W. ; Liu W. ; Zhang X. ; Deng Y. Biomacromolecules 2014, 15 (7), 2540.
22	Soottitantawat A. ; Yamamoto T. ; Endo A. ; Ohmori T. ; Nakaiwa M. Aiche J. 2007, 53 (1), 228.
23	Schaefer D. W. ; Keefer K. D. Phys. Rev. Lett. 1986, 56 (20), 2199.
24	Tsutsui T. ; Yahiro M. ; Yokogawa H. ; Kawano K. Adv. Mater. 2001, 13 (15), 1149.
25	Dorcheh A. S. ; Abbasi M. H. J. Mater. Process. Technol. 2008, 199 (1-3), 10.
26	Gurav J. L. ; Jung I. K. ; Park H. H. ; Kang E. S. ; Nadargi D. Y. J. Nanomater 2010, 2010, 11.
27	Rotter H. ; Landau M. V. ; Herskowitz M. Environ. Sci. Technol. 2005, 39 (17), 6845.
28	Landau M. V. ; Shter G. E. ; Titelman L. ; Gelman V. ; Rotter H. ; Grader G. S. ; Herskowitz M. Ind. Eng. Chem. Res. 2006, 45 (22), 7462.
29	Dong Y. ; Li J. ; Shi L. ; Wang X. ; Guo Z. ; Liu W. Chem. Commun. 2014, 50 (42), 5586.
30	Liu N. ; Lin X. ; Zhang W. ; Cao Y. ; Chen Y. ; Feng L. ; Wei Y. Sci. Rep. 2015, 5, 9688.
31	Si Y. ; Guo Z. Chem. Lett. 2015, 44 (7), 874.
32	Malafaya P. B. ; Silva G. A. ; Reis R. L. Adv. Drug Del. Rev. 2007, 59 (4-5), 207.
33	Mohamadnia Z. ; Zohuriaan-Mehr M. J. ; Kabiri K. ; Jamshidi A. ; Mobedi H. J. Bioact. Compat. Polym. 2007, 22 (3), 342.
34	Klemm D. ; Heublein B. ; Fink H.-P. ; Bohn A. Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44 (22), 3358.
35	Cai J. ; Kimura S. ; Wada M. ; Kuga S. ; Zhang L. Chemsuschem 2008, 1 (1-2), 149.
36	Paakko M. ; Vapaavuori J. ; Silvennoinen R. ; Kosonen H. ; Ankerfors M. ; Lindstrom T. ; Berglund L. A. ; Ikkala O. Soft Matter 2008, 4 (12), 2492.
37	Olsson R. T. ; Azizi Samir M. A. S. ; Salazar Alvarez G. ; Belova L. ; Strom V. ; Berglund L. A. ; Ikkala O. ; Nogues J. ; Gedde U. W. Nat. Nano 2010, 5 (8), 584.
38	Egal M. ; Budtova T. ; Navard P. Biomacromolecules 2007, 8 (7), 2282.
39	Sehaqui H. ; Zhou Q. ; Berglund L. A. Compos. Sci. Technol. 2011, 71 (13), 1593.
40	Yu P. ; Zhu K. ; Norman A. G. ; Ferrere S. ; Frank A. J. ; Nozik A. J. J. Phys. Chem. B 2006, 110 (50), 25451.
41	Chandiran A. K. ; Comte P. ; Humphry-Baker R. ; Kessler F. ; Yi C. ; Nazeeruddin M. K.. ; Gr?tzel M. Adv. Funct. Mater. 2013, 23 (21), 2775.
42	Mrowetz M. ; Balcerski W. ; Colussi A. J. ; Hoffmann M. R. J. Phys. Chem. B 2004, 108 (45), 17269.
43	Li X. Z. ; Li F. B. Environ. Sci. Technol. 2001, 35 (11), 2381.
44	Iskandar F. ; Nandiyanto A. B. D. ; Yun K. M. ; Hogan C. J. ; Okuyama K. ; Biswas P. Adv. Mater. 2007, 19 (10), 1408.
45	Lotus A. F. ; Feaver R. K. ; Britton L. A. ; Bender E. T. ; Perhay D. A. ; Stojilovic N. ; Ramsier R. D. ; Chase G. G. Mater. Sci. Eng. B 2010, 167 (1), 55.
46	Sescousse R. ; Gavillon R. ; Budtova T. Carbohydr. Polym. 2011, 83 (4), 1766.
47	Cai H. ; Mu W. ; Liu W. ; Zhang X. ; Deng Y. Inorg. Chem. Commun. 2015, 51, 71.
48	Liu J. ; Wickramaratne N. P. ; Qiao S. Z. ; Jaroniec M. Nature Mater. 2015, 14 (8), 763.
49	Nieto-Márquez A. ; Romero R. ; Romero A. ; Valverde J. L. J. Mater. Chem. 2011, 21 (6), 1664.
50	Motahari S. ; Nodeh M. ; Maghsoudi K. Desalin.Water Treat. 2016, 57 (36), 16886.
51	Tang J. ; Xie Z. ; Du A. ; Ye J. ; Zhang Z. ; Shen J. ; Zhou B. J. Fusion Energy 2016, 35 (2), 357.
52	Lorjai P. ; Chaisuwan T. ; Wongkasemjit S. J. Sol-Gel Sci. Technol. 2009, 52 (1), 56.
53	Wu X. ; Jia W. Chem. Eng. J. 2014, 245, 210.
54	Horikawa T. ; Hayashi J. ; Muroyama K. Carbon 2004, 42 (1), 169.
55	Xia S, Y. ; Cheng X, H. ; Song H, H. Carbon Tech. 2005, 24 (6), 5.
55	夏三宇; 陈晓红; 宋怀河. 炭素技术, 2005, 24, 5.
56	Hou H, Q. ; Wang C, Y. ; Tang Y, J. ; Fu Z, B. ; Zhou Y. Mater. Rev. 2009, 23 (20), 85.
56	候海乾; 王朝阳; 唐永建; 付志兵; 周莹. 材料导报, 2009, 23, 85.
57	Novoselov K. S. ; Geim A. K. ; Morozov S. V. ; Jiang D. ; Zhang Y. ; Dubonos S. V. ; Grigorieva I. V. ; Firsov A. A. Science 2004, 306 (5696), 666.
58	Chen D. ; Feng H. ; Li J. Chem. Rev. 2012, 112 (11), 6027.
59	Georgakilas V. ; Otyepka M. ; Bourlinos A. B. ; Chandra V. ; Kim N. ; Kemp K. C. ; Hobza P. ; Zboril R. ; Kim K. S. Chem. Rev. 2012, 112 (11), 6156.
60	Balandin A. A. ; Ghosh S. ; Bao W. ; Calizo I. ; Teweldebrhan D. ; Miao F. ; Lau C. N. Nano Lett. 2008, 8 (3), 902.
61	Bolotin K. I. ; Sikes K. J. ; Jiang Z. ; Klima M. ; Fudenberg G. ; Hone J. ; Kim P. ; Stormer H. L. Solid State Commun. 2008, 146 (9-10), 351.
62	Stoller M. D. ; Park S. ; Zhu Y. ; An J. ; Ruoff R. S. Nano Lett. 2008, 8 (10), 3498.
63	Li G. Y. ; Wu X. H. ; He W. N. ; Fang J. H. ; Zhang X. T. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32, 2146.
63	李广勇; 吴晓涵; 何伟娜; 方建慧; 张学同. 物理化学学报, 2016, 32, 2146.
64	Nardecchia S. ; Carriazo D. ; Luisa Ferrer M. ; Gutierrez M.C. ; del Monte F. Chem. Soc. Rev. 2013, 42 (2), 794.
65	Jiang L. ; Fan Z. Nanoscale 2014, 6 (4), 1922.
66	Li C. ; Shi G. Adv. Mater. 2014, 26 (24), 3992.
67	Zhang X. ; Sui Z. ; Xu B. ; Yue S. ; Luo Y. ; Zhan W. ; Liu B. J. Mater. Chem. 2011, 21 (18), 6494.
68	Hu H. ; Zhao Z. ; Wan W. ; Gogotsi Y. ; Qiu J. Adv. Mater. 2013, 25 (15), 2219.
69	Wu Z.S. ; Yang S. ; Sun Y. ; Parvez K. ; Feng X. ; Muellen K. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134 (22), 9082.
70	Yin H. ; Zhang C. ; Liu F. ; Hou Y. Adv. Funct. Mater. 2014, 24 (20), 2930.
71	Zhang X. ; Liu D. ; Yang L. ; Zhou L. ; You T. J. Mater. Chem. A 2015, 3 (18), 10031.
72	Sun R. ; Chen H. ; Li Q. ; Song Q. ; Zhang X. Nanoscale 2014, 6 (21), 12912.
73	Gao S. ; Wang K. ; Du Z. ; Wang Y. ; Yuan A. ; Lu W. ; Chen L. Carbon 2015, 92, 254.
74	Jung S. M. ; Mafra D. L. ; Lin C. T. ; Jung H. Y. ; Kong J. Nanoscale 2015, 7 (10), 4386.
75	Lee W. S. V. ; Peng E. ; Choy D. C. ; Xue J. M. J. Mater. Chem. A 2015, 3 (37), 19144.
76	Mi X. ; Huang G. ; Xie W. ; Wang W. ; Liu Y. ; Gao J. Carbon 2012, 50 (13), 4856.
77	Li J. ; Li J. ; Meng H. ; Xie S. ; Zhang B. ; Li L. ; Ma H. ; Zhang J. ; Yu M. J. Mater. Chem. A 2014, 2 (9), 2934.
78	Dragoman M. ; Ghimpu L. ; Obreja C. ; Dinescu A. ; Plesco I. ; Dragoman D. ; Braniste T. ; Tiginyanu I. Nanotechnology 2016, 27 (47)
79	Wu S. ; Ladani R. B. ; Zhang J. ; Ghorbani K. ; Zhang X. ; Mouritz A. P. ; Kinloch A. J. ; Wang C. H. ACS Appl. Mater. Inter. 2016, 8 (37), 24853.
80	Xu X. ; Yan S. ; Wang B. ; Qu P. ; Wang J. ; Wu J. J. Nanosci. Nanotechno. 2016, 16 (12), 12299.
81	Xu Y. ; Sheng K. ; Li C. ; Shi G. ACS Nano 2010, 4 (7), 4324.
82	Sui Z. ; Zhang X. ; Lei Y. ; Luo Y. Carbon 2011, 49 (13), 4314.
83	Zhang L. ; Shi G. J. Phys. Chem. C 2011, 115 (34), 17206.
84	Park S. H. ; Kim H. K. ; Yoon S. B. ; Lee C.W. ; Ahn D. ; Lee S.-I. ; Roh K. C. ; Kim K. B. Chem. Mater. 2015, 27 (2), 457.
85	García-Torres B. A. ; Aguilar-Elguezabal A. ; Román-Aguirre M. ; álvarez-Contreras L. Mater. Chem. Phys. 2016, 172, 32.
86	Ennajih H. ; Bouhfid R. ; Essassi E. M. ; Bousmina M. ; ElKadib A. Microporous Mesoporous Mater. 2012, 152, 208.
87	Frindy S. ; Primo A. ; Qaiss Ael K. ; Bouhfid R. ; Lahcini M. ; Garcia H. ; Bousmina M. ; El Kadib A. Carbohydr. Polym. 2016, 146, 353.
88	Zhai T. ; Zheng Q. ; Cai Z. ; Xia H. ; Gong S. Carbohydr. Polym. 2016, 148, 300.

[1]	徐涵煜, 宋雪旦, 张青, 于畅, 邱介山. 理论研究Cu@C₂N催化剂表面上水分子对电催化CO₂还原反应机理的影响[J]. 物理化学学报, 2024, 40(1): 2303040 - .
[2]	王宁, 李一, 崔乾, 孙晓玥, 胡悦, 罗运军, 杜然. 金属气凝胶：可控制备与应用展望[J]. 物理化学学报, 2023, 39(9): 2212014 -0 .
[3]	吕浩亮, 王雪杰, 杨宇, 刘涛, 张留洋. 还原氧化石墨烯包覆MOF衍生In₂Se₃用于钠离子电池负极[J]. 物理化学学报, 2023, 39(3): 2210014 -0 .
[4]	蒋伟杰, 蒋航, 刘威, 管鑫, 李云兴, 杨成, 魏涛. Pickering乳液模板构建生物刺激响应性蛋白质微球[J]. 物理化学学报, 2023, 39(12): 2301041 - .
[5]	王正慜, 洪庆玲, 王晓慧, 黄昊, 陈煜, 李淑妮. 氮掺杂石墨烯气凝胶锚定RuP纳米粒子用于水合肼氧化辅助产氢[J]. 物理化学学报, 2023, 39(12): 2303028 - .
[6]	廖珺豪, 赵一萱, 胡兆宁, 补赛玉, 陆琪, 尚明鹏, 贾开诚, 裘晓辉, 谢芹, 林立, 刘忠范. 光刻胶辅助的石墨烯晶圆无损转移[J]. 物理化学学报, 2023, 39(10): 2306038 - .
[7]	亓月, 孙禄钊, 刘忠范. 超级蒙烯材料：石墨烯家族的新成员[J]. 物理化学学报, 2023, 39(10): 2307028 - .
[8]	杨嘉炜, 郑春阳, 庞亚会, 纪仲阳, 李雨芮, 胡嘉仪, 朱江瑞, 陆琪, 林立, 刘忠范, 胡清梅, 关宝璐, 尹建波. 耦合蝶形天线的石墨烯室温太赫兹探测器[J]. 物理化学学报, 2023, 39(10): 2307012 - .
[9]	高振飞, 宋清泉, 肖志华, 李兆龙, 李涛, 罗家俊, 王珊珊, 周万立, 李兰英, 于俊荣, 张锦. 亚微米尺寸、高结晶度石墨烯增强间位芳纶纤维力学性能[J]. 物理化学学报, 2023, 39(10): 2307046 - .
[10]	刘若娟, 刘冰之, 孙靖宇, 刘忠范. 气相助剂辅助绝缘衬底上石墨烯生长：现状与展望[J]. 物理化学学报, 2023, 39(1): 2111011 -0 .
[11]	贺文娅, 程虎虎, 曲良体. 烯碳纤维基能源器件的研究进展[J]. 物理化学学报, 2022, 38(9): 2203004 - .
[12]	刘汉卿, 周锋, 师晓宇, 史全, 吴忠帅. 石墨烯基纤维储能器件的研究进展与展望[J]. 物理化学学报, 2022, 38(9): 2204017 - .
[13]	夏洲, 邵元龙. 湿法纺制石墨烯纤维：工艺、结构、性能与智能应用[J]. 物理化学学报, 2022, 38(9): 2103046 - .
[14]	何文倩, 邸亚, 姜南, 刘遵峰, 陈永胜. 石墨烯诱导水凝胶成核的高强韧人造蛛丝[J]. 物理化学学报, 2022, 38(9): 2204059 - .
[15]	彭景淞, 程群峰. 仿鲍鱼壳石墨烯多功能纳米复合材料[J]. 物理化学学报, 2022, 38(5): 2005006 - .

气凝胶微球的制备及应用

Fabrication and Performance of Various Aerogel Microspheres

RichHTML

PDF

赞

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

Metrics

推荐阅读 0