氣凝膠在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用

張曉雪 劉亞丹 鞠麗 沈軍

(1.同濟大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；2.中國絕熱節(jié)能材料協(xié)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(jié)構(gòu)特性，氣凝膠在熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等方面均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。近年來，由于能源和環(huán)境所面臨的空前壓力，氣凝膠引起了越來越多的關(guān)注。首先，氣凝膠的大比表面積以及高孔隙率結(jié)構(gòu)可提供眾多吸附位點，使之在吸附領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。其次，與傳統(tǒng)保溫隔熱材料相比，氣凝膠的納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使之具有極低的固態(tài)及氣態(tài)熱傳導(dǎo)，在保溫隔熱領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。最后，碳?xì)饽z不僅具有傳統(tǒng)氣凝膠的優(yōu)良特性，而且具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，在能源領(lǐng)域已成為一種關(guān)注度極高的電極材料。因此，氣凝膠在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

1 環(huán)境保護應(yīng)用

隨著工業(yè)社會的快速發(fā)展，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，目前已有的諸多凈化技術(shù)中，吸附法具有成本低、適用范圍廣、操作簡單等優(yōu)點，因而在氣體及液體凈化領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)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(yōu)良特性，被認(rèn)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(huán)境問題已經(jīng)對人類的生產(chǎn)和生活構(gòu)成了嚴(yán)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(jié)構(gòu)有利于氣體的擴散和循環(huán)，在氣體吸附領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。目前，在該領(lǐng)域的研究集中于SiO氣凝膠和碳?xì)饽z（Carbon Aerogel，CA）對溫室氣體CO和揮發(fā)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(xué)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(huán)境下對VOCs的選擇性。圖1展示了氣凝膠與無紡布復(fù)合制備的空氣凈化網(wǎng)和口罩，其對甲醛、甲苯等有毒氣體及PM2.5等細(xì)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(xiàn)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(fù)合的空氣凈化網(wǎng)和口罩

1.2 氣凝膠對液體的吸附凈化

紡織行業(yè)的迅速發(fā)展帶來了一系列的水污染問題，印染廢水成分復(fù)雜，處理難度高。SiO氣凝膠憑借其獨特的多孔結(jié)構(gòu)，成為一種高效處理染料廢水的新材料。研究發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)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(nèi)凈化被污染的河塘?xí)r，主要污染物指標(biāo)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(yè)廢水的排放及農(nóng)業(yè)化肥的不合理使用均導(dǎo)致了水體中的重金屬污染。在水體中，重金屬離子主要以絡(luò)合離子或含氧酸基團的形式存在，其穩(wěn)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(shù)）和表面絡(luò)合等作用實現(xiàn)對重金屬離子的高效吸附去除。

2 新能源應(yīng)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(diào)、孔隙率高、導(dǎo)電性好、密度可調(diào)范圍廣等優(yōu)點。因此，CA有望在高效儲能領(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)用。

2.1 碳?xì)饽z在超級電容器中的應(yīng)用

目前，碳基超級電容器已實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，但其能量密度偏?。?～10 Wh/kg），因此開發(fā)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(jié)構(gòu)、開發(fā)合適的摻雜策略對于提升其電化學(xué)性能至關(guān)重要。沈軍團隊探究了不同活化改性后的CA的電化學(xué)性能，研究發(fā)現(xiàn)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(xué)性能，表明兩步活化法是更為優(yōu)越的活化方式。目前，國內(nèi)CA已實現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)，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(lǐng)先水平。表2展示了CA、氮化后的碳?xì)饽z（NCA）以及國際領(lǐng)先的日本可樂麗公司的活性炭YP50的電化學(xué)性能測試比較。實驗數(shù)據(jù)顯示三種碳材料的初始容量基本相同，但CA具有更低的內(nèi)阻和循環(huán)穩(wěn)定性，應(yīng)用于超級電容器更具優(yōu)勢。

表2 3種碳材料用于超級電容器的性能參數(shù)對比

2.2 碳?xì)饽z在動力電池中的應(yīng)用

CA在動力電池方面的應(yīng)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(yīng)用于鋰離子電池時主要作為導(dǎo)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(dǎo)電劑，結(jié)果顯示在100 mA恒流放電時其比容量高達101.0 mAh/g，遠(yuǎn)高于商業(yè)乙炔黑導(dǎo)電劑（76.7 mAh/g）。雖然CA可作為優(yōu)異的導(dǎo)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(jié)構(gòu)的α-FeO@CA復(fù)合材料，測試發(fā)現(xiàn)在100 mA/g的電流密度下循環(huán)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(yuǎn)高于商業(yè)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(huán)穩(wěn)定性，但今后仍需進一步提升其環(huán)境適應(yīng)性以保障不同溫度環(huán)境下的安全使用。

3 保溫節(jié)能

氣凝膠憑借其自身獨特的三維納米多孔結(jié)構(gòu)在保溫隔熱領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，雖然將氣凝膠用于保溫領(lǐng)域成本較高，前期投入較大，但是其耐老化性、尺寸穩(wěn)定性、易于加工等優(yōu)勢會帶來持久的節(jié)能收益。綜合而言，氣凝膠是一種低熱導(dǎo)率、高耐溫性且性價比高的節(jié)能產(chǎn)品。

3.1 氣凝膠在建筑保溫管道保溫中的應(yīng)用

建筑能耗在人類整個能源消耗中占30%～40%，因此構(gòu)造節(jié)能建筑具有十分深遠(yuǎn)的意義。以SiO氣凝膠為主的各類復(fù)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(jié)能建筑的幾個典型應(yīng)用。然而，氣凝膠在建筑節(jié)能領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)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(dǎo)率最低可達0.014 W/（m·K），僅略高于以TEOS為硅源經(jīng)超臨界干燥制得的SiO氣凝膠（100 kg/m）的熱導(dǎo)率（0.0125 W（m·K））。隨后，該團隊以更廉價的工業(yè)級水玻璃為硅源，經(jīng)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(lǐng)域的推廣打下了堅實基礎(chǔ)。

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(chǎn)品形式（如圖3所示）。相對于傳統(tǒng)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(yīng)用場景。

3.2 氣凝膠在動力鋰電池安全防護的應(yīng)用

近年來，氣凝膠保溫材料在新能源汽車領(lǐng)域的也得到廣泛應(yīng)用。新能源汽車的燃燒事故頻出，主要原因是車內(nèi)的動力鋰電池?zé)崾Э厝紵?。?dāng)電池發(fā)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?zé)崾Э氐奈：?，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(nèi)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(chǎn)品

圖4 氣凝膠用于管道保溫

圖5

4 結(jié)語

氣凝膠憑借其輕質(zhì)、低熱導(dǎo)、高孔隙率、大比表面積等特性，在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域的優(yōu)勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過大多數(shù)傳統(tǒng)材料，是我國乃至世界未來最具發(fā)展?jié)摿Φ男虏牧现弧Ｖ泄仓醒胛募忻鞔_指出，要“推動氣凝膠等新型材料研發(fā)應(yīng)用。推進規(guī)模化碳捕集利用與封存技術(shù)研發(fā)、示范和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。建立完善綠色低碳技術(shù)評估、交易體系和科技創(chuàng)新服務(wù)平臺?！睘闅饽z材料及產(chǎn)業(yè)發(fā)展指明了道路。