氧化铝复合气凝胶的制备与性能表征

Aerogels are light, porous, 3D and nano solid materials, and they are widely used in catalysts, insulators and aeronautical/space technologies. The most intensively studied aerogels include SiO2 and Carbon ones, which are not resistant to high temperatures .Therefore, it is highly demanded to develop a novel aerogel with excellent stability at high temperatures. Fortunately, Al2O3 composite aerogels are such materials with good thermal stability and low thermal conductivity at high temperatures, which will be closely explored in this project. However, the Al2O3 composite aerogels lost their high specific surface areas dramatically after heat treatment at 1200oC. To solve this problem, this project will adopt a liquid assisted sintering technique at high temperature for maintaining the high specific surface areas. On the other hand, the traditional sol-gel techniques for preparing aerogels suffer from complex operation, long processing time and uncontrollable hydrolysis steps, so this project will use a facile direct freeze casting technique to freeze ceramic nano-colloidal and to obtain Al2O3 composite aerogels. If granted, this project will renew the interface theory between ceramics/colloidals, water and ice; It will open new doors for water solidification physics under the circumstance of nano-colloidal; It will also inspire new ideas on aerogels design and fabrication and enable their wide applications to high-temperature industrials.

气凝胶材料是轻质、多孔、三维网状、纳米固体材料，可以作为催化剂/载体应用于环境污染的防治以及航空航天等高温隔热领域。研究热点集中在氧化硅和炭气凝胶，但是氧化硅气凝胶耐高温性能差而炭气凝胶抗氧化性能低。这些极大限制了气凝胶材料在高温领域的应用，因此研发新型高温性能稳定的气凝胶材料迫在眉睫。氧化铝复合气凝胶材料具有良好高温稳定性，但仍存在两个致命问题：1）高温热处理后比表面积下降明显；2）溶胶凝胶法工艺复杂、耗时、难控。因此本项目提出了解决方案：1）采用高温液相辅助烧结制备耐高温、收缩小且成型性好的氧化铝复合气凝胶；2）使用直接冷冻干燥陶瓷纳米胶体技术制备具有自支撑自组装特性的氧化铝复合气凝胶。本项目的确立将为更新陶瓷-水-冰界面物理化学知识提供理论依据；为在纳米陶瓷胶体条件下的水凝固理论提供新的研究方向；为气凝胶设计理念的创新提供新思路；在应用方向上为高温催化提供新材料和新技术。

重金属离子和有机染料等污染物严重破坏了水体环境，即使在低浓度时也对环境和人体健康产生恶劣影响，因此本项目致力于研究和设计高效水污染的治理技术。鉴于吸附技术仍然是目前最有效的技术之一，本项目探索了新型吸附剂氧化物气凝胶的吸附性能和机理。为了有效提高重金属离子的吸附性能，本项目制备了氧化铝氧化硅气凝胶，其比表面积（~1000 m2/g，干燥后) 和气孔率 (~90%)较高，孔径大致在几十纳米左右。显微结构中Al、Si和O 等元素均匀分布。能够在40分钟内对铜离子的去除率达~99%，并在Cu2+初始浓度为~100mg/L时可以达到~100 mg/g的平衡吸附容量。经测量Cu2+在该气凝胶材料表面的吸附符合伪二阶动力学。推测其机理可能该复合气凝胶表面zeta电位在氧化硅掺杂的条件下为负，与Cu2+发生静电吸引作用而产生吸附。为了进一步增加气凝胶吸附剂的可回收性，本项目还通过溶胶-凝胶法和有机溶剂真空干燥法制备了Fe2O3/Al2O3复合陶瓷纳米气凝胶材料，旨在赋予氧化铝气凝胶磁性的同时也可以有效减少氧化铁纳米材料的团聚。该纳米气凝胶材料的比表面积约为100~200m2/g，对有机染料刚果红的吸附容量高达~1000mg/g，分别比Al2O3微球和纯α-Fe2O3高约1倍和14倍。除了吸附/催化性能，本项目探索了莫来石纤维素支撑的氧化锆氧化硅气凝胶的隔热性能。经X-射线衍射和扫描电镜测试，该气凝胶具有稳定的立方相ZrO2，其莫来石纤维预制体基本上呈树枝状，气凝胶包覆/附着在该预制体上，并呈不规则状，分布较为均匀。经初步测定该气凝胶具备隔热能力，可承受500~600oC的酒精灯外焰，并使鲜花可保鲜长达2~3分钟。最后，鉴于高温液相辅助烧结的作用，本项目还将研究内容拓展至碳化物（碳化钛、碳化铬、碳化硅）等陶瓷的抗氧化/水润湿性能研究。综上，本项目探索了氧化物气凝胶的干燥和烧结等制备过程对气凝胶的表面化学和吸附/催化性能的影响，归纳了表面电位对重金属离子和有机染料吸附的促进作用/机理。