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。
为什么 pH 里的「p」是小写？pH 到底是什么的缩写呢？
学过化学的朋友，对 pH 值 这个概念一定很熟悉！无论是溶液酸碱度还是人体酸碱平衡，pH 的应用无处不在！今天，我们就来聊聊 pH 值的来源和背后的趣味故事！ 什么是 pH？为什么它重要？ pH 值 是衡量溶液酸碱性的指标： 人体酸碱平衡 人体正常 pH 范围应在 7.0 ~ 7.4，维持这个范围对健康至关重要！ 但关于「p」的来源，化学界却有许多不同的说法，以下是几种主要观点： 1、德语或法语中的「力度、强度」 2、拉丁文「氢的量或能力」 3、索伦森的「随机选择」 为什么「p」是小写？ 这是化学界的一个习惯： 所以，「p」小写是为了与「H」（氢离子）大写区分，让公式更清晰易懂！ pH 是什么的缩写？ 虽然「p」的来源仍有争议，但目前化学界普遍接受的解释是： 这个简单的符号，其实凝聚了科学家们对自然规律的深刻探索！
具有超大拉伸性和拉伸不敏感隔热性能的高屈曲纳米纤维陶瓷气凝胶
陶瓷气凝胶因其优越的性能，如超低密度、大比表面积、低导热率和高化学/热稳定性，已成为最具吸引力的材料家族之一，在隔热、阻燃、催化框架、传感、能量存储、辐射冷却和吸收/过滤等领域展现出良好的前景。在设计具有所需功能的陶瓷气凝胶时，一个重要的性能指标是其机械性能，即在防止环境因素（例如机械应力、热梯度和毛细管力）引起的结构损坏方面具有出色的变形能力。然而，与聚合物或生物质材料不同，陶瓷材料，特别是超轻陶瓷气凝胶，由于其固有的脆性，很容易遭受断裂损坏。因此，机械性能通常是陶瓷气凝胶实际应用的关键障碍。迄今为止的研究表明，通过组件设计和结构工程可以显着提高陶瓷气凝胶的机械性能。先前提高机械性能的努力通常集中在具有一维或二维构建块的陶瓷气凝胶的设计上。迄今为止，陶瓷气凝胶的可压缩性已得到很好的增强，可以与聚合物泡沫相媲美。然而，由于构件之间相对较弱的连接模式，例如纳米纤维的物理缠结和纳米片的π-π堆叠，陶瓷气凝胶仍然表现出非常低的韧性，在受到拉力时会出现严重的结构损坏甚至断裂。 近日，哈尔滨工业大学徐翔教授团队受爬山虎卷须的启发，我们报告了一种由高度弯曲纳米纤维构建的超可拉伸陶瓷气凝胶的设计和合成。纳米纤维的屈曲是通过双组分离轴静电纺丝方法通过不对称变形形成的。所得气凝胶具有超大拉伸性，拉伸应变高达150%，以及高恢复性，拉伸应变高达80%。它们还表现出接近零的泊松比 (4.3 × 10−2) 和接近零的热膨胀系数 (2.6 × 10−7摄氏度)，从而具有出色的热机械稳定性。受益于这种超拉伸性，气凝胶表现出独特的拉伸不敏感隔热性能，在 1000 °C 时热导率仅保持约 106.7 mW m−1 K−1。这项工作促进了陶瓷气凝胶的发展，以在极端条件下实现坚固的隔热性能，并在可拉伸气凝胶的结构设计中为广泛的应用建立了一系列基本考虑因素。相关成果以“Highly‐Buckled Nanofibrous Ceramic Aerogels with Ultra‐Large Stretchability and Tensile‐Insensitive Thermal Insulation”为题，发表在《Advanced Materials》(期刊号：Adv. Mater. 2024, 2415159 IF=27.4)上。 原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202415159 结论 我们共同证明，基于高屈曲纳米纤维的陶瓷气凝胶的仿生设计和合成可产生高达 150% 拉伸应变的超大拉伸性和拉伸不敏感的隔热性能。接近零的泊松比和接近零的热膨胀系数赋予气凝胶优异的热机械稳定性。所得材料具有卓越的拉伸变形性、热机械稳定性和高温隔热性能的独特组合，超出了典型陶瓷气凝胶的范围，从而定义了一种在极端条件下（例如空气/空气）下具有吸引力的隔热材料系统。航天器、月球/火星基地、锂电池、工业炉和太空/消防服。此外，这种超拉伸气凝胶还为柔性电子产品、电池、过滤器、传感器和机器人的热管理提供了机会。
具有超低反射的高性能电磁干扰屏蔽用不对称结构MXene/PBO气凝胶
研究背景与目的 材料与方法 实验与表征 结果与讨论 应用前景 异质结构MXene@Ni电磁功能填料的制备 (MXene@Ni/PNF)–(MXene/PNF)气凝胶的制备
中南大学物理学院2024年度湖南省重点实验室学术委员会联合会议顺利举行
2024年11月30日，超微结构与超快过程湖南省重点实验室、纳米光子学与器件湖南省重点实验室2024年度学术委员会联合会议在中南大学物理学院顺利举行。中国科学院院士黄维教授，新加坡工程院院士洪明辉教授，中国药科大学原校党委书记徐慧教授，中南大学原副校长周科朝教授，学校党委常委、副校长何军教授等国内外知名专家学者30余人参会指导，物理学院院党委书记谢群、院长孙克辉等学院领导班子成员，省重点实验室师生代表共计200余人参加。会议包括学术委员会研讨会、“名师名家讲坛”专家讲座、学生学术年会等活动。 11月30日上午，何军副校长主持了学术委员会研讨会。在开幕式上，中南大学原副校长周科朝和孙克辉院长分别致欢迎词。按照议程，阳军亮副院长介绍了学院一年来在专业建设、学科发展、教学科研平台及师资队伍建设等方面的情况。超微结构与超快过程省重点实验室主任袁永波教授、纳米光子学与器件省重点实验室副主任肖思教授、微纳加工与器件制造平台主任袁小明教授就重点实验室和平台在本年度成效进行介绍。郭爱敏、卢宇、银恺、袁永波四位教师作代表性学术成果汇报。 与会专家对物理学院省重点实验室的工作成绩进行了点评，同时就凝练实验室特色研究方向、建立跨学科合作创新、主动对接国家重大需求、提升国家级重大重点项目承担能力、持续推进师资人才队伍建设等方面提出了宝贵意见建议。座谈会结束后，学术委员会副主任周科朝教授代表参会专家作总结发言。 11月30日下午，钟建新教授、韩秀峰教授、潘安练教授等专家为师生做专题讲座。讲座内容涵盖低维凝聚态理论、磁子材料与器件、硅基Micro-LED等领域的重要进展与发展前景。讲座结束后，专家与在场近200名师生进行了长达一个小时的交流讨论，现场气氛热烈。 会议期间，200余名学生踊跃参与了学生学术年会，作学术报告的学生由会上部分优秀本科生和硕士生、博士生代表做相关学术专题报告。报告内容涵盖材料表界面研究、新型能量材料与器件、非线性光学、量子信息、模拟计算、复杂系统建模等方向。教师评委对每位学生的报告进行打分和点评。 本次会议为期三天，总结了省重点实验室在材料表界面物理、超快过程、量子信息、纳米光子学与器件等研究领域的发展，研讨和凝练了实验室未来建设规划，深化了知名学者与在院师生间的学术交流，推进了拔尖创新人才的培养。在学术委员会专家的指导帮助下，两所省重点实验室将再接再厉，为学院和学校的建设与发展做出新贡献。
从水凝胶到干凝胶：干燥过程中的结构崩塌与热质演变
水凝胶是柔软湿润的，而气凝胶是轻盈干燥的。一个富含水分，一个几乎全是空气。但你可能不知道，气凝胶可以由水凝胶“脱胎”而来。通过干燥过程，原本浸润在水中的三维网络得以保留，同时去除了液体，留下了极端多孔的结构。 听起来是“把水挤出去，结构保留下来”的简单过程，实际上却充满挑战。干燥过程中，水分去除方式、孔壁受力情况、热流扰动，都会影响材料最终的结构完整性与传质特性。这是一场热、质与力学耦合的演变过程。 一、水凝胶的网络为何难以“干而不塌”？ 水凝胶由亲水性高分子链交联形成三维网络，其中含有大量自由水和束缚水。这些水不仅起填充作用，还稳定网络结构、维持凝胶形态。 在干燥过程中，尤其是常规空气干燥下： 这种因表面张力引起的网络崩塌是导致传统干燥方法难以制备气凝胶的关键障碍。 二、干燥方式如何影响结构演变？ 为了实现“从水凝胶到气凝胶”的平稳过渡，研究者发展出多种干燥策略： 1. 常压干燥（Ambient drying） 直接在空气中蒸发水分，操作简单但收缩严重，形成干凝胶（xerogel），孔隙率低，力学性强但隔热差。 2. 冷冻干燥（Freeze drying） 将水快速冻结成冰后升华。可保留部分大孔结构，但容易形成冰晶损伤，细孔结构不稳定，常用于生物材料或药物载体中。 3. 超临界干燥（Supercritical drying） 将水或溶剂置于超临界条件，使其不经历气-液界面蒸发过程，从而避免毛细收缩，是制备高质量气凝胶的主流方法。结构保留度高，孔隙率高达90%以上。 不同干燥路径下，热量输入方式、水分迁移速度、结构收缩时间点不同，决定了最终凝胶的微观结构与性能。 三、热与质如何在干燥中协同演变？ 干燥是一个典型的非稳态热质耦合过程。主要涉及以下几个关键机制： 当干燥不均或热流失控时，容易出现表层硬壳 + 内部塌陷结构，导致最终形成裂纹、非均匀孔结构，严重影响材料性能。 四、从水到气，功能也在悄然切换 干燥不仅是结构演变过程，更是材料功能重构的关键阶段： 因此，干燥不仅改变了材料的“态”，也赋予了其截然不同的功能使命。 五、崩塌与重构之间，创新正发生 为了克服结构崩塌、功能失稳等问题，研究者提出多种创新路径： 从水凝胶到干凝胶，再到真正的气凝胶，不再是“水变没了”的简单过程，而是一场由热流、水汽、聚合物链共同协奏的材料进化之旅。
气凝胶与水凝胶如何“应对湿气”
湿气，从来不是一种“中性”的存在。对于多孔材料而言，它是一种介于水蒸气与液态水之间的“隐藏状态”，一旦进入材料内部孔隙结构，就可能引发传热性能下降、结构崩塌、功能失效等连锁反应。气凝胶和水凝胶作为两种代表性的多孔凝胶体系，对湿气的响应行为截然不同，但也都面临“冷凝”这一传热传质共同挑战。 本篇将聚焦湿气入侵、多孔冷凝现象与两种材料的结构应对机制，深入解析湿气如何改变凝胶世界中的热与质迁移路径。 一、湿气是怎样进入多孔材料的？ 空气中的水汽以气态分子形式存在，但当湿度升高、温度降低、材料孔径狭窄时，水分子可能： 在孔壁吸附，形成单层或多层水膜； 在纳米孔中发生毛细冷凝； 与表面官能团形成氢键束缚水； 逐步积聚成液态水桥，连接孔壁与骨架。 这一过程不仅是传质行为，更影响了热传递机制，是典型的热-质-结构耦合现象。 二、气凝胶遇湿：从“绝热体”变成“热导桥” 气凝胶之所以具备极低热导率，是因为其孔隙中主要充满气体，且孔径极小（一般在几十纳米），限制了气体导热与对流。 然而，当湿气进入气凝胶内部，尤其在潮湿高温环境下发生冷凝，会引发以下变化： 1. 气体被液态水替代，水的热导率远高于空气，使得气孔变成“热桥”； 2. 毛细水桥形成连续热通道，原本被打断的热传路径重新连接； 3. 红外散射特性被破坏，湿润的表面降低了红外反射，辐射隔热性能下降； 4. 多次冷凝—蒸发循环可能导致气凝胶骨架疲劳、孔隙结构崩塌。 湿气在气凝胶中不但提高了热导率，还可能导致其长期稳定性受损，成为限制其在湿热环境中应用的关键因素。 三、水凝胶遇湿：是强化，还是溢出？ 与气凝胶不同，水凝胶天生“亲水”，内部充满大量水分，是一种处于近饱和含水状态的材料。 当外部湿度升高，空气中的水汽渗入水凝胶中，常见反应有： 吸附增强：自由水分子进一步进入凝胶孔道，使凝胶轻微膨胀； 体积增大：网络扩张引起体积变化，可能用于触发响应； 水分迁移阻滞：外界湿气抑制内部水分蒸发，延缓降温或缓释行为； 表面冷凝：在低温条件下，湿气在凝胶表面凝结，改变热流边界条件。 水凝胶本身是“热质传输活跃”的材料，但一旦表面形成水膜或冷凝水，可能反而阻碍其原本良好的蒸发冷却机制，降低热管理性能。 四、冷凝控制策略：两类材料如何“应对湿气” 气凝胶为抵御湿气入侵，通常采取以下策略： 疏水改性：通过表面硅烷、氟化处理降低亲水性； 微结构调节：优化孔径分布，减小毛细冷凝发生概率； 复合防水膜层：外部包覆致密涂层，隔离水汽渗入； 空腔封装：用于电池或航天等系统中，常通过密封方式避免与湿气直接接触。 而水凝胶更多采取动态调控与自我调节方式： 表面构型设计：仿叶片、鱼鳞结构引导水滴脱附； 水汽通量调控：利用可控蒸发或亲疏水梯度调节水分进出速率； 智能响应材料：引入温敏、湿敏网络，实现“自关断”或“自开启”传质通道； 结构增强防溢出：在防止吸湿膨胀导致液体渗出的同时，保留凝胶的柔性与导热性。 五、多孔冷凝是挑战，也是设计机遇 湿气冷凝曾被视为多孔材料性能的“劫难”，但越来越多的新研究正将其转化为主动调控手段。 例如： 在气凝胶中引入限湿微孔+相变材料，利用水汽冷凝潜热做被动降温； 在水凝胶中构建可控冷凝界面，实现自动收水与释热机制； 发展气-水双重路径协同调控结构，融合导热、控湿、气体扩散于一体。 湿气不再只是入侵者，也可以被“驯服”为功能触发器。
