发改委拟推广的绿色技术：气凝胶保温隔热涂料的多功能应用
2024年11月27日，国家发改委公布了《拟纳入<绿色技术推广目录（2024年版）>的技术清单》，其中涵盖了节能降碳、环境保护、资源循环利用、能源绿色低碳转型、生态保护修复与利用、基础设施绿色升级以及绿色服务等多个领域的技术。 气凝胶保温隔热涂料在《拟纳入<绿色技术推广目录（2024年版）>的技术清单》中脱颖而出。其核心技术涵盖了气凝胶材料的巧妙运用、配方的持续改良、精湛的分散工艺、粘结剂的科学选定、涂层结构的精心规划，以及耐候性与耐久性技术的深入研究和施工流程的严格把控。气凝胶材料凭借其极低的热导率和独特结构，实现了高效隔热。通过优化配方和精湛的分散技术，确保了涂料性能的卓越。同时，科学合理的涂层结构和施工工艺进一步增强了其性能。 其应用案例广泛，包括湖南吉利汽车职业技术学院的整体搬迁项目外墙屋顶保温隔热工程，以及湖南杰萃生物技术有限公司厂房保温隔热提质改造工程。这些案例均证明了气凝胶保温隔热涂料在节能降碳、环境保护方面的显著效果。 气凝胶，这一多功能的高效保温隔热环保材料，凭借其独树一帜的低热导率、出色的耐高温性能，以及遇火不燃的特质，已在航空航天和工业保温等多个领域经受了多年的考验。近年来，国内的气凝胶制备技术取得了重大进展，实现了常温常压下的生产，从而有效解决了传统制备方法中设备能耗高和超临界高压操作带来的安全隐患。得益于这一技术突破，气凝胶类保温材料的原材料成本得到了显著降低，进而推动了其在建筑保温隔热领域的应用不断增多，尤其适合用于打造超低能耗建筑的外墙保温系统。 在气凝胶的众多复合制品中，气凝胶隔热涂料已相对成熟，其保温效果显著优于其他类型的涂料。经过长达三个月的自然环境下性能对比测试，气凝胶隔热涂料在隔热保温方面展现出了显著的优势。其应用场景也因此变得更为广泛，尤其在夏热冬暖等热辐射强烈的地区，建筑保温系统采用气凝胶隔热涂料，不仅能有效抵御辐射热的侵入，还能减少室内冷空气的散失，从而降低建筑能耗。 气凝胶涂料是通过将气凝胶粉体与专用高性能树脂乳液相结合，或与无机粘结剂体系进行复合制备而成的。它可直接应用于建筑内外墙、工业储罐、反应设备、管道以及新能源汽车部件等表面，集保温隔热、隔音降噪、抗震及防火等多功能于一体。其独特的微孔结构赋予了气凝胶涂料卓越的隔热性能，能有效减少热能的传导和散失。因此，在建筑物上使用气凝胶涂料进行保温涂装，将显著提升建筑物的隔热性能，降低能源消耗，并提升室内的舒适度。气凝胶隔热涂料在建筑外墙的应用效果显著，能有效隔离外界温度，减少能源消耗，提升室内舒适度，并降低冷热桥效应对建筑的影响。此外，它还能增强建筑物的抗震性能，使气凝胶隔热涂料成为建筑节能的理想选择。具体来说，其优势体现在以下几个方面： 高效隔热保温 气凝胶隔热涂料以其极低的热导率，成为隔热保温的佼佼者。它能够显著减少建筑外墙与外界的温度交换，从而保持室内温度的稳定。这一特性不仅降低了空调和供暖的能耗，还有助于实现节能减排的环保目标。 节省能源成本 得益于其出色的隔热性能，气凝胶隔热涂料能有效地减少建筑物对外界温度的敏感性。这降低了空调和供暖设备的运行频率和强度，进而节省了大量的能源成本。特别是在夏季，这种涂料能有效地阻挡太阳辐射，减少对空调制冷的依赖，从而进一步降低能源开支。 提高室内舒适度 气凝胶隔热涂料的应用使得室内温度更加稳定，无论冬季还是夏季，都能为居住者提供舒适的生活和工作环境。同时，其隔音吸声性能还能有效减少外界噪音的干扰，确保室内环境的宁静。 减少冷热桥效应 冷热桥是影响建筑隔热效果的关键因素之一。气凝胶隔热涂料能够覆盖建筑物外墙上的冷热桥部位，如窗框、墙角等，从而减少热量在这些区域的传输。这有效地避免了冷热桥效应对整体隔热效果的负面影响，提升了整个外墙的隔热性能。 抗震性能提升 气凝胶隔热涂料的柔韧性和粘附性优异，能够增强建筑物外墙的抗震能力。其多孔结构能够有效地吸收和分散地震波引起的能量，从而降低建筑物在地震中的受损风险。 气凝胶隔热涂料，这一创新的建筑材料，不仅具有显著的节能减排效果，还带来了多方面的综合效益。当它被应用于建筑外墙时，能够显著改善室内的环境舒适度。其独特的性能使得外界热量难以进入，有效减少了冷热桥效应，从而提升了整体的隔热性能。这一技术为居住者创造了更加舒适、稳定的居住环境，进而提升了生活品质。特别是在工业建筑等需要大面积维持室内温度的建筑中，气凝胶隔热涂料的应用效果尤为显著，因为它能够大幅降低空调和供暖系统的需求，进而减少能源消耗和运营成本。展望未来，随着技术的不断进步和应用范围的扩大，气凝胶隔热涂料有望成为建筑行业中不可或缺的节能减排利器，为推动绿色建筑和低碳经济的发展贡献力量。
具有超低反射性能的非对称结构MXene/PBO气凝胶用于高性能电磁干扰屏蔽
电磁干扰（EMI）屏蔽材料具备低电磁（EM）波反射特性，是阻挡电磁辐射和污染的理想材料。为了实现低反射材料的构建，必须采用具备优异电磁波吸收性能的材料。然而，既具备低反射性又具备优异EMI屏蔽性能的材料仍然稀缺，因此需要开发多层结构。本文通过去质子化法制备了聚（对苯二甲酰–2,6–苯并并噁唑）纳米纤维（PNF），将其与MXene和通过原位生长制备的异质结构MXene@Ni结合，形成电磁波吸收层（MXene@Ni/PNF）和电磁波反射层（MXene/PNF）。最终，通过层层冻干法在分层模块设计理念的基础上制备了(MXene@Ni/PNF)–(MXene/PNF)气凝胶。实验表征表明，这些气凝胶能够高效地吸收、反射和再吸收电磁波，有效地消除电磁干扰。当MXene与Ni的质量比为1:6，反射层中MXene的质量分数为80 wt.%时，(MXene@Ni/PNF)–(MXene/PNF)气凝胶表现出优异的EMI屏蔽性能（71 dB）和非常低的反射系数（R = 0.10）。有限元模拟验证了所开发的非对称结构气凝胶能够实现高EMI屏蔽性能与低反射特性。此外，(MXene@Ni/PNF)–(MXene/PNF)气凝胶还展示了卓越的红外伪装能力。 创新点： 对于科研工作的启发： 思路延伸：
气凝胶为什么这么“绝热”？从多孔结构看热流如何被限制
如果你听说过“气凝胶”，可能听过它的名号——“世界上最好的绝热材料”、“可以挡住喷枪的超轻固体”、“连火焰都传不进去的隔热层”。这些听起来像黑科技的性能，其实都来自一个看似普通但极其精妙的物理过程：热量在微纳米多孔网络中被阻碍、反射、折返，寸步难行。 这篇文章，我们就来深入气凝胶内部，看一看热量是如何在这张“透明泡沫迷宫”中被彻底限制的。 一、气凝胶是怎么构造的？ 气凝胶是一种超高孔隙率的固体材料，通常含有90%以上的孔隙，结构由纳米尺度的骨架和孔道组成。它的典型特征包括： 超低密度（轻如羽毛） 极高比表面积（几百至上千 m²/g） 极低热导率（可低至 0.013 W/m·K，比空气还低） 虽然看起来像固体，它实际上更像是一团“凝固的气体”，其中热的传播途径被严重打断。 二、热量在材料中是怎么传递的？ 在任何材料中，热传导主要有三个机制： 1. 固体导热（声子传递） 2. 气体导热（气体分子扩散） 3. 热辐射（红外波长能量释放） 气凝胶的绝热效果，就是从这三条路径“全线封堵”： 三、热量的三条路被气凝胶怎么“封死”的？ 1. 声子在纳米骨架中频繁被散射 气凝胶的固体部分是由无序交联的纳米颗粒组成，像极细的“蛛网”。这些颗粒之间接触少、连接弱，导致： 声波/热振动（声子）在骨架中难以顺畅传播 热路径不连续、热阻高 导热效果远低于普通固体材料 这相当于你在迷宫里奔跑，每走几步就碰到一堵墙。 2. 孔径比气体分子自由程还小，气体也动不了 气凝胶中常见的孔径在2–100 nm，而气体分子的平均自由程（自由运动的距离）约为70 nm。当孔径 < 自由程，就会出现： Knudsen效应：气体分子主要与墙壁碰撞而非彼此碰撞，热量难以扩散。 这导致气体热导率也下降——空气不再是热的传递者，而成了“被困的冤种”。 3. 红外辐射在纳米结构中被散射/吸收 高温时，热辐射成为重要的传热机制。但在气凝胶中，骨架结构与红外波长接近，导致： 大量红外线在骨架上发生散射和干涉 一部分红外能量被材料吸收或偏转，无法直线传递 尤其是加入红外吸收填料（如炭黑、氧化钛）后，可进一步削弱热辐射贡献。 四、和空气比，为什么它还更“绝热”？ 空气已经是我们常见的低热导介质（约 0.026 W/m·K），那气凝胶为何能比空气还绝热？ 因为空气的导热性虽然差，但它仍然是连续流体，气分子之间可以轻松传热。而气凝胶则是： 气体不流动（封闭孔） 气体不能有效扩散（Knudsen抑制） ...
耐高温隔热氧化物气凝胶研究进展
本文综述了氧化硅、氧化铝、氧化锆气凝胶、二元和多元耐高温隔热氧化物气凝胶及其复合气凝胶的研究进展，总结了氧化物气凝胶的制备方法和性能，提出了其中存在的问题，并对氧化物气凝胶在耐高温隔热领域的应用进行了展望。
多功能各向异性碳气凝胶用于智能电磁波吸收
电磁波在通信、智能穿戴、航空航天等领域的应用愈发广泛，但亦引发电磁干扰、污染及辐射安全等问题；开发高效吸波材料成为解决上述问题的关键。传统吸波材料因其功能单一难以满足高温、复杂电磁特殊环境下性能需求，促使研究人员不断探索新型多功能集成材料。多孔碳气凝胶材料，因其大的比表面积和独特结构备受关注，但应用于吸波领域仍面临诸多挑战。 本文北京化工大学胡传刚课题组联合河北唐山开滦新材料有限公司李建华博士开发了一种超轻多功能各向异性气凝胶，巧妙的结构设计实现智能电磁波吸收，满足吸波材料的高性能、高耐火性和高灵活的可调控性需求。 通过热处理冰晶诱导的氧化石墨烯/氧化碳纳米管/六氯三聚磷腈复合阵物列结构，获得了具有纵向蜂窝状多孔和横向整齐层状结构的轻质、多功能碳基气凝胶，该材料同时实现了优异吸波性能、阻燃性和隔热性。各向异性结构设计确保其可根据环境需求沿不同倾斜角度展现吸波性能的可调性能。与层状结构相比，蜂窝状多孔结构有效促进了电磁波在材料内部的多次反射和散射，大幅度提高了电磁波在材料内部的延伸，从而实现了较高的吸波性能。优化后的R10C2P-4（前驱体中氧化石墨烯/氧化碳纳米管/六氯三聚磷腈的比列为10:2:1，氧化石墨烯的浓度为4 mg mL-1）在纵向方向上的最小反射损耗为-61.5 dB，而在横向方向上则低至-22.4 dB。此外，多孔结构有效抑制了热量的扩散，六氯三聚磷腈热解产生的磷物种进一步提升了其阻燃性和隔热性，使材料在纵向方向上的热导率低至20.6 mW m-1 K-1。总之，本研究为多功能EMA材料的设计提供了巧妙的见解，使其能够灵活适应复杂环境需求。 图文导读
高强度高韧性的透明芳纶纳米纤维气凝胶薄膜用于被动加热节能窗户
研究背景与目的 研究方法与成果 材料 上述材料未经进一步纯化直接使用。其他所有化学品和溶剂均为分析纯试剂。 PTPA气凝胶的合成 为了获得PTPA，将第三种弯曲单体APBIA以不同的摩尔比引入TPC和PDA中进行缩聚反应。 以PTPA-2气凝胶为例的合成步骤： 其他改性芳纶纳米纤维气凝胶的实验步骤相同，但实验比例不同。
Pd氢化金属烯气凝胶晶格氢参与实现高效析氢反应
2024年11月27日，华中师范大学朱成周教授团队在Nature Communications期刊发表题为“Pd hydride metallene aerogels with lattice hydrogen participation for efficient hydrogen evolution reaction”的研究论文，团队成员汪恒佳为论文第一作者，朱成周教授为论文通讯作者。 全文速览 基于传统析氢反应（HER）机制，单相催化剂中的氢吸附和解吸通常发生在单个催化位点，这使得难以突破Sabatier原理的限制。本研究中，我们合成了β-Pd氢化物金属烯（β-PdHene）气凝胶，作为一种先进的HER催化剂。与传统反应路径相比，晶格氢参与机制可以分离吸附和解吸位点，在热力学上更具优势。原位差分电化学质谱和理论计算表明，晶格氢作为附加的活性位点直接参与了HER过程。因此，β-PdHene气凝胶在10 mA cm-2电流密度下的过电位为20 mV，并具有优异的稳定性，甚至可与商业Pt/C催化剂相媲美。我们的研究为理性设计高活性HER催化剂开辟了一条新途径，突破了传统机制下催化剂设计的局限性。 本文要点 要点1. 提出了晶格氢参与的机理，能够将氢的吸附和脱附位点分开，因此在热力学上比传统反应路径更有优势。通过原位微分电化学质谱表征和理论计算，说明晶格氢能够作为额外的活性位点参与HER反应。 要点2. β-PdHene气溶胶催化剂在电流密度为10 mA cm-2的过电势仅为20 mV，而且具有优异的HER催化稳定性，甚至稳定性可与商用Pt/C比拟。 背景介绍 氢气（H2）被认为是替代传统化石燃料的理想能源，且作为重要的工业原料，因其具有高能量密度和零碳排放，符合全球碳中和的要求。HER被认为是最具吸引力且经济高效的制氢方法之一。Pt基纳米材料被广泛认为是最有效的电催化剂之一。由于Pd基催化剂具有与Pt相似的电子结构且丰度较高，因此成为了潜在的替代品。尽管如此，Pd与H之间的强结合力不利于H2的脱附，导致其HER性能较差。因此，开发高效的HER电催化剂变得至关重要，但这仍然是实现绿色氢经济的挑战之一。在酸性介质中，HER电催化剂的效率很大程度上依赖于催化剂表面H吸附和解吸行为的平衡。根据Sabatier原理，理想的HER电催化剂应具有接近零的氢吸附自由能(ΔGH*)。过强或过弱的H结合能力都会导致活性位点中毒或质子供应不足，从而显著降低HER的反应动力学。因此，开发先进的电催化剂，探索多催化位点，有望突破现有HER机制的瓶颈。 本文采用两步法制备了β-PdHene气凝胶。扫描电子显微镜（SEM）证明了β-PdHene呈现出三维多孔结构。通过高角度环形暗场扫描TEM（HAADF-STEM），透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）证明所合成的β-PdHene气凝胶为超薄二维纳米片，厚度约为1.26 nm左右。通过控制反应温度，可以分别获得α-PdHene和混合相PdHene气凝胶。随着反应温度从120 ℃升高至160 ℃，平均晶格间距增大，衍射峰逐渐向低角度移动，表明更多的氢原子被插入到晶格中。 图文解析 b-PdHene气凝胶在0.5 M H2SO4中表现出最佳的电催化性能，在10 mA cm-2和50 mA cm-2下的过电位分别为20 mV和66 mV，远低于Pdene，a-PdHene，混合相PdHene气凝胶以及商业Pt/C。此外，b-PdHene气凝胶还展示了快速的HER动力学。其电催化HER性能优于近期报道的贵金属基HER电催化剂。同时，加速耐久性实验（ADT）结果表明，在经过5000次CV循环后，b-PdHene气凝胶的催化活性几乎保持不变，稳定性测试后，材料的形貌和结构未发生显著变化。 通过原位电化学氢吸脱附动力学、原位电化学阻抗谱以及H/D动力学同位素测试，b-PdHene气凝胶表现出最小的动力学同位素效应（KIE）值，表明其具有较快的氢转移速率。同时，b-PdHene气凝胶的氢吸附动力学有所减弱，而解吸动力学显著增强，这有利于促进H2脱附过程。 X射线光电子能谱（XPS）结果表明，随着更多间隙氢的引入，Pd的轨道结合能发生正移，证明Pd和H之间的电子相互作用增强，从而导致更多的电子转移。通过XPS的价带谱进一步分析d带中心的变化，发现b-PdHene气凝胶的d带中心更远离费米能级，有助于加速了H2脱附。pH依赖性实验表明，b-PdHene气凝胶的反应级数远小于Pdene气凝胶，表明晶格氢参与了反应。随后，原位差分电化学质谱同位素测试提供了更直接的证据，结果显示DH和H2信号的增加明显大于D2信号的增加，进一步证明晶格氢参与到了HER过程。 理论计算表明，随着间隙氢的引入，b-PdHene表面的Pd-H键长变长，d带中心下移，减弱了Pd和H*相互作用，促进了H2脱附。同时，晶格氢的参与在热力学上也更为有利。因此，提出晶格氢参与反应机制。在酸性电解液中，质子首先通过Volmer步骤与电子结合形成吸附的H*。随后，两个相邻的H*经过Tafel步骤生成H2，吸附的H*迁移并与相邻的晶格氢结合成H2，这在热力学上更为有利。通过快速的氢转移，氢空位状态得以消除，从而实现整个催化反应的闭环。 总结与展望 总结来说，提出了一种高效的晶格氢参与机制，通过在β-PdHene上分离吸附和脱附位点来增强酸性介质中的HER（氢进化反应）性能，这在能量上比传统反应路径更受青睐。晶格氢参与的直接证据通过原位DEMS实验和理论计算得到了确认。吸附的H*可以迁移并与周围的晶格氢重组，通过Tafel步骤产生H2分子，加速H2的脱附。β-PdHene气凝胶显示出增强的HER活性，在10 mA cm⁻²的电流密度下具有低过电位（20 mV）和显著的长期电催化稳定性。因此，我们的工作提供了一种有前景的方法，通过有利的晶格氢参与反应路径来设计高性能的HER电催化剂。
