氣凝膠在節能環保領域的應用

張曉雪 劉亞丹 鞠麗 沈軍

(1.同濟大學物理科學與工程學院，上海 200092；2.中國絕熱節能材料協會，北京 100831)

氣凝膠是一種三維納米多孔材料，最初由Kistler于1931年制得。憑借其獨特的結構特性，氣凝膠在熱學、電學、光學等方面均表現出優異的性能。近年來，由于能源和環境所面臨的空前壓力，氣凝膠引起了越來越多的關注。首先，氣凝膠的大比表面積以及高孔隙率結構可提供眾多吸附位點，使之在吸附領域受到廣泛關注。其次，與傳統保溫隔熱材料相比，氣凝膠的納米多孔網絡結構使之具有極低的固態及氣態熱傳導，在保溫隔熱領域表現出巨大的優勢。最后，碳氣凝膠不僅具有傳統氣凝膠的優良特性，而且具有優異的導電性，在能源領域已成為一種關注度極高的電極材料。因此，氣凝膠在節能環保領域應用前景廣闊。

1 環境保護應用

隨著工業社會的快速發展，環境污染日益嚴重，目前已有的諸多凈化技術中，吸附法具有成本低、適用范圍廣、操作簡單等優點，因而在氣體及液體凈化領域受到了廣泛關注。氣凝膠憑借其自身高孔隙率、高比表面積、表面易于修飾等優良特性，被認為是一種理想的吸附材料。

1.1 氣凝膠對氣體的吸附凈化

近年來，大氣污染和全球變暖等環境問題已經對人類的生產和生活構成了嚴重威脅，因此有效處理大氣污染物迫在眉睫。氣凝膠的高孔隙率和高比表面積等特點可提供大量的表面活性位點，其開放、連通的孔隙結構有利于氣體的擴散和循環，在氣體吸附領域展現出廣闊的應用前景。目前，在該領域的研究集中于SiO氣凝膠和碳氣凝膠（Carbon Aerogel，CA）對溫室氣體CO和揮發性有機化合物（VOCs）的吸附凈化。其中SiO氣凝膠主要通過氨基功能化、氮摻雜等方式引入堿性活性中心，依靠特異性化學吸附提升其對CO的吸附性和選擇性。對于VOCs的吸附，主要通過引入非極性有機官能團對SiO氣凝膠進行疏水改性，克服水分子的物理競爭吸附，提高濕環境下對VOCs的選擇性。圖1展示了氣凝膠與無紡布復合制備的空氣凈化網和口罩，其對甲醛、甲苯等有毒氣體及PM2.5等細小顆粒物均具有良好的吸附濾清效果。而CA主要通過活化的方式制造微孔，提升比表面積進而實現其對CO和VOCs的高效吸附。此外，也可通過氨基功能化、氮摻雜和引入活性金屬等方式來提升CA對CO吸附性能。

圖1 基于氣凝膠與無紡布復合的空氣凈化網和口罩

1.2 氣凝膠對液體的吸附凈化

紡織行業的迅速發展帶來了一系列的水污染問題，印染廢水成分復雜，處理難度高。SiO氣凝膠憑借其獨特的多孔結構，成為一種高效處理染料廢水的新材料。研究發現，疏水型和親水型SiO氣凝膠表面基團不同，因此處理不同染料的廢水會顯示出不同的效果。此外，CA也是一種高效的有機染料吸附劑。研究發現將納米TiO加載到CA中，在吸附有機污染物的同時還可利用光催化作用將有機污染物降解掉。表1展示了CA僅僅5天內凈化被污染的河塘時，主要污染物指標均大幅下降（見表1）。

表1 CA在5天時間對某河塘水體有機污染物的吸附效果

工業廢水的排放及農業化肥的不合理使用均導致了水體中的重金屬污染。在水體中，重金屬離子主要以絡合離子或含氧酸基團的形式存在，其穩定性較高不易被微生物降解，在治理方面有一定的困難。CA可通過電場（電容去離子技術）和表面絡合等作用實現對重金屬離子的高效吸附去除。

2 新能源應用

碳材料是目前研究最成熟的儲能電極材料，而CA是一種相對較新的高性能碳基電極材料，其具有比表面積大、孔徑可調、孔隙率高、導電性好、密度可調范圍廣等優點。因此，CA有望在高效儲能領域得到大規模應用。

2.1 碳氣凝膠在超級電容器中的應用

目前，碳基超級電容器已實現商業化應用，但其能量密度偏小（3～10 Wh/kg），因此開發高比能量的超級電容器已成為近期的研究重點。CA的儲能方式主要是雙電層電容儲能，因此提升其比表面積、改善其孔隙結構、開發合適的摻雜策略對于提升其電化學性能至關重要。沈軍團隊探究了不同活化改性后的CA的電化學性能，研究發現兩步活化不僅增加了CA的比表面積，而且獲得了更好的電化學性能，表明兩步活化法是更為優越的活化方式。目前，國內CA已實現工業化量產，其在水系電解液的比電容為310 F/g，在有機體系下比電容為250 F/g，居國際領先水平。表2展示了CA、氮化后的碳氣凝膠（NCA）以及國際領先的日本可樂麗公司的活性炭YP50的電化學性能測試比較。實驗數據顯示三種碳材料的初始容量基本相同，但CA具有更低的內阻和循環穩定性，應用于超級電容器更具優勢。

表2 3種碳材料用于超級電容器的性能參數對比

2.2 碳氣凝膠在動力電池中的應用

CA在動力電池方面的應用也較多，其高孔隙率的特點有利于充放電過程中鋰離子的嵌入和脫出。目前，CA應用于鋰離子電池時主要作為導電劑或電極材料。楊偉等以CO超臨界干燥制得的CA作為Li-MnO電池的導電劑，結果顯示在100 mA恒流放電時其比容量高達101.0 mAh/g，遠高于商業乙炔黑導電劑（76.7 mAh/g）。雖然CA可作為優異的導電劑，但更多的是直接將其用作電極材料。Luo等通過水熱法成功制備了核殼結構的α-FeO@CA復合材料，測試發現在100 mA/g的電流密度下循環50次后，其可逆比容量仍高達581.9 mAh/g。Yang等制備了比表面積為2161 m/g的介孔CA，在0.1 A/g的電流密度下其比容量高達610 mAh/g，遠高于商業石墨陽極（372 mAh/g）。由上述研究可知，CA可有效提升鋰離子電池的充放電能力和循環穩定性，但今后仍需進一步提升其環境適應性以保障不同溫度環境下的安全使用。

3 保溫節能

氣凝膠憑借其自身獨特的三維納米多孔結構在保溫隔熱領域受到了廣泛關注。據相關數據顯示，雖然將氣凝膠用于保溫領域成本較高，前期投入較大，但是其耐老化性、尺寸穩定性、易于加工等優勢會帶來持久的節能收益。綜合而言，氣凝膠是一種低熱導率、高耐溫性且性價比高的節能產品。

3.1 氣凝膠在建筑保溫管道保溫中的應用

建筑能耗在人類整個能源消耗中占30%～40%，因此構造節能建筑具有十分深遠的意義。以SiO氣凝膠為主的各類復合材料用于建筑物的墻體保溫不僅可以提升保溫性能，而且可以有效阻燃，大大降低建筑能耗，提高安全性。圖2展示了氣凝膠在節能建筑的幾個典型應用。然而，氣凝膠在建筑節能領域的大規模應用也對其成本提出了更高要求。沈軍團隊以廉價的多聚硅（E-40）為硅源，三甲基氯硅烷（TMCS）為表面修飾劑，常壓制得的SiO氣凝膠（100 kg/m）在常溫常壓下熱導率最低可達0.014 W/（m·K），僅略高于以TEOS為硅源經超臨界干燥制得的SiO氣凝膠（100 kg/m）的熱導率（0.0125 W（m·K））。隨后，該團隊以更廉價的工業級水玻璃為硅源，經過TMCS和六甲基二硅醚的表面修飾常壓制得了SiO氣凝膠，成本的大幅下降為氣凝膠在建筑領域的推廣打下了堅實基礎。

圖2 氣凝膠用于建筑保溫

在管道保溫中，氣凝膠氈是最為常用的產品形式（如圖3所示）。相對于傳統保溫材料而言，氣凝膠氈的隔熱性能提升了3～8倍，所需隔熱層的厚度減薄了3～5倍。此外，憑借其柔韌性強、不易破碎、切割方便等特點，可直接放置在管道上固定安裝，有效提升了施工效率。圖4展示了氣凝膠氈在管道保溫方面的幾個典型應用場景。

3.2 氣凝膠在動力鋰電池安全防護的應用

近年來，氣凝膠保溫材料在新能源汽車領域的也得到廣泛應用。新能源汽車的燃燒事故頻出，主要原因是車內的動力鋰電池熱失控燃燒爆炸。當電池發生熱失控時，通過在電池艙與客艙之間鋪氣凝膠防火隔離層，可有效阻止火勢蔓延，增加乘客的逃生時間。通過對電池單元之間以及整個電池箱進行保溫絕熱處理，不僅可以降低電池熱失控的危害，而且可以克服電池箱體因溫度過低無法正常工作的問題。目前，國內主要利用SiO氣凝膠隔熱片對鋰電池進行防護。圖5（a）和（b）分別展示了氣凝膠隔熱片及其用于動力電池的示意圖。

圖3 氣凝膠氈產品

圖4 氣凝膠用于管道保溫

圖5

4 結語

氣凝膠憑借其輕質、低熱導、高孔隙率、大比表面積等特性，在節能環保領域的優勢遠遠超過大多數傳統材料，是我國乃至世界未來最具發展潛力的新材料之一。中共中央文件中明確指出，要“推動氣凝膠等新型材料研發應用。推進規模化碳捕集利用與封存技術研發、示范和產業化應用。建立完善綠色低碳技術評估、交易體系和科技創新服務平臺。”為氣凝膠材料及產業發展指明了道路。