1. 文章导读

大气中CO₂浓度的持续增加引发了严重的气候和环境问题，隔热和CO₂捕集是降低CO₂排放的有效手段。氧化硅气凝胶（Silica aerogel）具有发达的纳米孔结构和可剪裁的表面化学结构，在隔热和CO₂捕集方面表现出优异的性能。近年来，为了提高氧化硅气凝胶的隔热和CO₂捕集性能，研究人员在疏水氧化硅气凝胶和氨基功能化氧化硅气凝胶方面开展了大量研究。但仍存在疏水和氨基改性工艺复杂、功能基团稳定性差等问题，而且难以将多种功能集成在同一氧化硅气凝胶材料中，使得其制造和应用的灵活性差、成本高。因此，开发一种制备兼具隔热与CO₂捕集的双功能化氧化硅气凝胶的简单方法，并深入研究其在高温和潮湿条件下长期稳定性，对气凝胶材料的创新发展和应用具有重要意义。

南京工业大学孔勇教授课题组开发了一种简单和环境友好的自催化溶胶-凝胶工艺，基于多元前驱体协同凝胶制备了一种甲基和氨基双功能基团杂化氧化硅气凝胶（BHSA）。通过功能基团原位杂化在氧化硅气凝胶骨架中，可有效提升材料的比表面积和功能基团稳定性，实现了低浓度（1%）CO₂捕集和宽温域（-100~1300°C）隔热性能的协同优化以及潮湿和高温环境中长期稳定。文章发表在Green Chemical Engineering（GreenChE），题为“Bifunctionalized hybrid silica aerogels for stable low-concentration CO₂ capture and thermal insulation under humid and high-temperature conditions”。

●  通过一种简单的自催化溶胶-凝胶法制备了双功能基团杂化氧化硅气凝胶。

●  气凝胶在1% CO₂中具有高CO₂吸附量（1.87 mmol/g）和吸附动力学。

●  气凝胶在宽温度范围（-100-1300 ℃）内具有优异的隔热性能。

● 气凝胶的CO₂捕集和隔热性能在潮湿和高温环境下具有长期稳定性。

3. 内容概述

本研究工作以正硅酸四乙酯、甲基三乙氧基硅烷和3-氨丙基三乙氧基硅烷为共前驱体，通过一步溶胶-凝胶法制备了比表面积高达343 m²/g的氨基和甲基杂化氧化硅气凝胶（TMA262）（图1）。从不同温度下TMA262的CO₂吸附量（图2a）和达到80%吸附量的平均CO₂吸附速率图（图2b）可以看出BHSA在25℃时具有最佳的CO₂吸附量（1.10 mmol/g），并具有较快的CO₂吸附动力学。潮湿条件下的TMA262的CO₂吸附量为1.87mmol/g（图2c），说明水可以提高CO₂吸附性能。

图1. BHSA的制备示意图。

图2. 不同温度下TMA262的（a）干燥1%CO₂吸附量及其（b）达到80%吸附量的平均CO₂吸附速率；（c）干燥和潮湿条件下25℃时TMA262的1%CO₂吸附量。

相比其他气凝胶隔热材料，高比表面积赋予了TMA262更低的热导率（0.019 W/(m·K)）（图3a）。通过低温（-100 ℃）、中温（200 ℃）和高温（1300 ℃）模拟服役条件考察实际隔热性能（图3b-d）可知，TMA262在宽温度范围内具有优秀的隔热性能。通过对TMA262的高温热稳定性进行表征（图4），可以看出氨基和甲基分别可以在250和430 ℃保持稳定，同时在500 ℃下维持纳米多孔结构，表现出优异的热稳定性。

图3.（a）BHSA和其他气凝胶的常温热导率；（b）TMA262（15 mm）在200 ℃热板上的背温和红外热成像图；（c）TMA262（24 mm）在-100 ℃冷板上的背温（与铜块对比）；（d）TMA262（11 mm）热冲击实验中的背温。

图4. （a）200-430 ℃热处理2 h后TMA262的FTIR图；（b）400-430 ℃热处理2 h后TMA262的比表面积和孔体积；（c）400 ℃和（d）500 ℃热处理2 h后TMA262的SEM图。

采用25 ℃水浸泡、25 ℃下77.8%相对湿度和90℃热处理三种模拟CO₂捕集的服役环境进行7 d加速老化，以评价TMA262在潮湿吸附和高温脱附环境中的长期稳定性（图5a）。结果显示，TMA262在潮湿和高温老化后比表面积和表面氨基含量出现了小幅下降，CO₂吸附量在潮湿环境中基本不变、高温处理后有明显衰减。对高温处理后的样品进行吸潮处理可以使CO₂吸附量再次恢复并有提升（图5b），表明除了表面氨基含量外，气凝胶材料中的吸附水和结合水对CO₂吸附量有重要贡献。

图5. （a）7 d加速老化后TMA262的比表面积、表面氨基含量和CO₂吸附量；（b）TMA262新鲜样品、90℃老化样品和潮湿再处理样品的CO₂吸附量。

4. 总结与展望

近年来，该课题组围绕氨基杂化氧化硅气凝胶和甲基杂化疏水氧化硅气凝胶开展了一系列创新研究，开发高性能CO₂吸附剂和隔热材料，为助力双碳目标实现提供新材料、新方法和新技术。该工作在课题组前期工作基础上，采用简单和环境友好的自催化一步溶胶-凝胶法制备了具有高比表面积的双功能基团杂化氧化硅气凝胶，在高温和潮湿环境中具有突出的CO₂捕集和隔热性能。该研究提供了一种多功能氧化硅气凝胶材料的绿色制备方法，解决了多种功能基团在氧化硅气凝胶中难以协同杂化的问题，为高性能氧化硅气凝胶材料的创新发展提供了理论指导和实践经验。

5. 通讯作者简介

孔勇 教授

孔勇，南京工业大学材料科学与工程学院教授，江苏省“青蓝工程”优秀青年骨干教师。主要从事气凝胶材料的制备、产业化与应用研究，在Chemical Engineering Journal、Green Chemistry、Green Chemical Engineering、Carbon、Applied Energy等期刊发表SCI收录论文60余篇，申请中国发明专利59件，其中已授权发明专利26件，获建筑科学技术发明一等奖、教育部技术发明二等奖、江苏省科学技术二等奖。

撰稿：原文作者

编辑：GreenChE编辑部