低价态金属氧化物气凝胶的设计合成和性能研究

Poor mechanical properties of aerogels provent its applications in the field of catalyst, thermal insulation material ect. The synthesis of metal-oxides aerogels with low valence is a hot topic rencently because of that the metal oxides with low valence are difficult to form three-dimensional network. Based on the previous research, we will investigate a new technique of preparing elastic aerogels with fantastic properties by introducing amine terminated polyether and epoxy compounds. The relationship between organic structure and mechanical properties will be studied by adjusting the parameters such as structures of organic materials, different precursors and so forth. We will focus on the springback coefficient of the aerogels whose linear shrink rate is 75%. We are hoping to offer theories and techniques of preparing polynary metal-oxides aerogels by investigating the elastic metal-oxides aerogels with low valence.

气凝胶的力学性能差是制约气凝胶在催化、隔热等领域应用的瓶颈之一。此外，由于低价态（M+、M2+）金属氧化物难以形成三维网络结构，低价态金属氧化物气凝胶的设计合成也是气凝胶领域的研究热点。在前期气凝胶合成的研究基础上，本项目拟基于环氧化物法制备高价态金属氧化物气凝胶的原理，通过引入端氨基聚醚和环氧化合物等具有不同结构的有机材料体系，建立起有机材料/低价态金属氧化物气凝胶复合体系，使制备的气凝胶产品具有高比表面积、高孔隙率等特殊结构的同时富有弹性。通过确定影响气凝胶性质的重要参数（如有机材料结构、前驱体种类等)，探索制备参数影响气凝胶性质的协同效应的规律，并揭示有机材料结构与气凝胶力学性能（抗拉强度、抗弯强度和压缩强度等）关系之变化特征，重点研究线性收缩为75%时气凝胶的回弹系数。希望籍此研究获得新型低价态金属氧化物基弹性气凝胶的制备技术，为低价态多元金属氧化物气凝胶的合成提供技术和理论。

本项目针对低价态氧化物气凝胶材料难以形成三维网络结构、力学性能差等问题，制备了系列态氧化物气凝胶材料，并研究了其催化、吸附以及力学等性能。项目取得的主要结果如下：. 1. 低价态氧化物气凝胶的制备及其构筑规律. 基于环氧化物法制备高价态氧化物气凝胶的原理，通过引入端氨基聚醚和环氧化合物等具有不同结构的材料体系，利用溶胶-凝胶与常压干燥法制备出了二氧化硅、碳-二氧化硅、银-二氧化硅、镍-二氧化硅、铜-二氧化硅、三氧化二铝、镍钙-三氧化二铝等气凝胶材料。研究了引入的端氨基聚醚种类与添加量对所制备的氧化物凝胶材料组成与结构的影响规律，研究了表面活性剂的添加量对凝胶材料比表面积与孔径的影响规律。此外，通过陈化浸渍和常压干燥法，通过骨架改进的湿润二氧化硅小球制备了亲水介孔硅酸钠基二氧化硅气凝胶小球吸附剂。制备的小球比表面积高达为582.52 m2 g-1，孔体积为1.46 cm3 g-1。经骨架改进的亲水二氧化硅气凝胶小球具有更强的力学性能。. 2. 低价态金属氧化物气凝胶催化与吸附性能研究. 研究了所制备的银-二氧化硅、镍-二氧化硅、铜-二氧化硅、镍钙-三氧化二铝等气凝胶材料对于催化还原对硝基苯酚性能，总结了三种气凝胶催化剂载体的组成、结构、金属纳米颗粒的负载量对催化还原对硝基苯酚性能的构效关系。所制备的复合气凝胶材料对于硝基苯酚还原反应具有高达98.7%的转化率与良好的循环稳定性。研究了二氧化硅、碳-二氧化硅、三氧化二铝等气凝胶材料对于水中有机染料、重金属离子的吸附去除性能。总结了凝胶材料的组成与结构、用量、溶液酸碱度等因素对其吸附性能的影响规律。所制备的凝胶材料对于有机染料、重金属表现出较高的吸附容量与可循环利用性能，显示出了极佳的应用价值。该项目研究成果可为低价态多元金属氧化物气凝胶的合成与应用提供技术和理论支撑。. 总之，我们在项目执行期间，获得了一些有价值的研究成果。发表与本项目相关的SCI论文5篇，申请国家发明专利9项。