衛(wèi)智毅，王 慧，余天培，程 輝，馬 信，李守柱

(新疆理工學(xué)院能源化工工程學(xué)院，新疆阿克蘇 843100)

納米科技作為一項(xiàng)新興科學(xué)技術(shù)，誕生于20世紀(jì)80年代，該技術(shù)的發(fā)展引發(fā)了納米材料、納米化學(xué)、納米加工等一系列新的技術(shù)產(chǎn)生[1]。納米纖維是納米材料的一種，主要指直徑小于1 000 nm具有一維結(jié)構(gòu)且長(zhǎng)徑比大的線狀材料。氣凝膠是指在一定條件下提取出凝膠中的液相后，仍能保持其3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不發(fā)生坍塌的納米級(jí)多孔固體材料，是世界上最輕的材料之一[2-3]。

二氧化硅(SiO2)氣凝膠除了具有氣凝膠的通性，如高孔隙率、超輕、比表面積大，還兼具化學(xué)穩(wěn)定、耐高溫、隔熱、隔音等特性而備受關(guān)注[4-5]，但由于硅氣凝膠脆性大、機(jī)械性能差，使其應(yīng)用受到了較多限制。因此，為了改善硅氣凝膠的力學(xué)性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，眾專家學(xué)者探索了不同的方法，如在硅膠骨架中引入聚合物或者無(wú)機(jī)纖維以增強(qiáng)其力學(xué)性能[6-7]。但聚合物的加入會(huì)使硅氣凝膠的耐高溫性能下降。無(wú)機(jī)纖維因具有良好的力學(xué)性能和耐高溫性能，適合用作骨架增強(qiáng)材料，但無(wú)機(jī)纖維與SiO2的結(jié)合力弱，存在組分易脫落的問(wèn)題。采用無(wú)機(jī)微米纖維與SiO2形成化學(xué)鍵從根本上解決了顆粒易脫落、不耐高溫的問(wèn)題，但微米纖維脆性大，導(dǎo)致氣凝膠力學(xué)性能不夠理想，為此研究人員通過(guò)將纖維直徑降至納米量級(jí)以提升纖維的柔性，制備出力學(xué)性能優(yōu)異的納米纖維氣凝膠[8]。

本論文綜述了SiO2從顆粒氣凝膠到納米纖維氣凝膠的發(fā)展歷程，闡述了現(xiàn)有的制備方法及相關(guān)機(jī)理，重點(diǎn)梳理了目前SiO2基納米纖維氣凝膠在隔熱保溫、空氣過(guò)濾、吸附、油水分離、催化劑載體以及壓力傳感領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)提高其力學(xué)性能的方法進(jìn)行展望，期望推動(dòng)SiO2基納米纖維氣凝膠的進(jìn)一步發(fā)展。

1 二氧化硅基納米纖維氣凝膠的發(fā)展歷程

SiO2氣凝膠最早是由 Kistler[9]以無(wú)機(jī)鹽水玻璃(Na2SiO3)為原料，采用溶膠-凝膠法通過(guò)超臨界干燥制備而成，由此各國(guó)學(xué)者開(kāi)始了對(duì)SiO2氣凝膠制備方法及工藝的研究。其中Peri[10]、Tamon等[11]、Nakanishi等[12]均以有機(jī)物正硅酸甲酯為原料制備出了高純度的SiO2氣凝膠，從而開(kāi)啟了以硅醇鹽為前驅(qū)體制備SiO2氣凝膠的新時(shí)代。相對(duì)于無(wú)機(jī)硅源，以硅醇鹽為前驅(qū)體制備SiO2氣凝膠存在以下優(yōu)點(diǎn)：a)工藝簡(jiǎn)單，直接以甲醇為溶劑，消除了水與甲醇溶劑的繁瑣交換，水解速度快；b)凝膠中不含難去除的無(wú)機(jī)鹽雜質(zhì)離子，純度高；c)干燥周期短，成品性能好。但由于正硅酸甲酯具有較強(qiáng)的腐蝕性和毒性，且價(jià)格遠(yuǎn)高于無(wú)機(jī)硅鹽，所以尋找無(wú)毒廉價(jià)的有機(jī)硅源以及合適的催化劑便成為眾多研究人員努力的方向。

Hunt[13]、Hegde等[14]、Rao等[15]分別利用正硅酸乙酯(TEOS)、甲基三乙氧基硅烷(MTES)以及兩者的混合物作為無(wú)毒性硅源，以乙醇為溶劑，采用溶膠-凝膠法制備SiO2氣凝膠，通過(guò)在體系中加入酸性催化劑(鹽酸，磷酸)或堿性催化劑(常用氨，氟化銨)，以克服溶膠凝膠反應(yīng)速率緩慢的問(wèn)題[16]。在聚合物的水解和縮聚過(guò)程中，先形成初級(jí)粒子，然后再聚集成次級(jí)粒子，最后連接在一起形成“珍珠項(xiàng)鏈”形態(tài)，如圖1所示。由于次級(jí)粒子僅通過(guò)少量的硅氧烷鍵相互連接，顆粒間的相互作用力弱，導(dǎo)致SiO2氣凝膠存在不耐振動(dòng)、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、機(jī)械性能差、脆性大、無(wú)回彈性等缺陷[17]，使其在實(shí)際應(yīng)用中存在嚴(yán)重的安全隱患。

圖1 典型SiO2氣凝膠的SEM圖像及結(jié)構(gòu)Fig.1 SEM image and structure of the typical SiO2 aerogels

為此科研工作者提出引入與SiO2反應(yīng)形成共價(jià)鍵的物質(zhì)或引入具有大長(zhǎng)徑比的材料作為第二相與SiO2基體結(jié)合，以提高其相互作用力[18]，如高分子聚合物(聚輪烷[19]、聚丙烯基烷氧基硅烷[20]、聚丙烯腈[21])和無(wú)機(jī)纖維(鋁硼硅溶膠[22]，多晶莫來(lái)石纖維[23])。高分子聚合物與Si—O—Si鍵結(jié)合可增加SiO2粒子之間的連接點(diǎn)，以顯著改善SiO2氣凝膠脆性大的問(wèn)題。其中Zu Guoqing 團(tuán)隊(duì)[20,24-25]提出以乙烯基烷氧基硅烷(VTMS或VTES或VMDMS或VMDES)為原料，經(jīng)水熱反應(yīng)聚合成聚乙烯基烷氧基硅烷，隨后進(jìn)行水解、縮聚、老化、干燥，得到由硅氧基和烷烴鏈組成化學(xué)交聯(lián)的納米結(jié)構(gòu)復(fù)合氣凝膠，如圖2所示。由于其獨(dú)特的雙交聯(lián)納米結(jié)構(gòu)，使該氣凝膠在常溫條件下經(jīng)500次80%循環(huán)壓縮后，可恢復(fù)到原始尺寸的82%，表現(xiàn)出優(yōu)異的超彈性。但聚合物不耐高溫，限制了其高溫下的應(yīng)用。而無(wú)機(jī)微米纖維與SiO2納米顆粒間的相互作用力很弱[6]，存在納米顆粒易脫落的問(wèn)題，最終導(dǎo)致材料的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、力學(xué)性能下降。為徹底解決顆粒易脫落以及不耐高溫的問(wèn)題，Si等[22]提出以納米纖維為構(gòu)筑基元，將柔性SiO2納米纖維與鋁硼硅溶膠(AlBSi)黏結(jié)劑結(jié)合，制備SiO2基納米纖維氣凝膠。在該氣凝膠中，納米纖維緊密結(jié)合并高度纏繞在一起，形成同時(shí)具有納米尺度和微米尺度的層狀蜂巢結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于隨機(jī)沉積的SiO2納米纖維重新構(gòu)建了彈性氣凝膠網(wǎng)絡(luò)，可在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)氣凝膠的密度和形狀。所得到的無(wú)機(jī)納米纖維氣凝膠表現(xiàn)出超低密度(0.15 mg/cm3)、大變形下完全恢復(fù)、零泊松比、恒溫超彈性、低導(dǎo)熱性和耐火性的優(yōu)勢(shì)特征(見(jiàn)圖3)，顯著擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。

圖2 有機(jī)-無(wú)機(jī)雙交聯(lián)納米結(jié)構(gòu)氣凝膠制備過(guò)程Fig.2 Schematic diagram of preparation process for organic-inorganic doubly cross-linked nanostructured aerogels

圖3 SiO2基納米纖維氣凝膠在不同狀態(tài)下的圖像Fig.3 Image of SiO2 based nanofiber aerogels in different states

2 二氧化硅基納米纖維氣凝膠的制備方法

納米纖維氣凝膠的制備技術(shù)包括減壓抽濾法[23]、溶膠-凝膠法、三維打印法[26]、模板合成法[27]、熔噴法[28]、自組裝法[29]、靜電紡絲法、層層堆疊法[30]、海島法[31]、閃蒸法[32]等。其中減壓抽濾法、溶膠-凝膠法、三維打印法、模板合成法、層層堆疊法可直接制得氣凝膠；靜電紡絲法、海島法、熔噴法、閃蒸法往往先制備出納米纖維，通過(guò)加入粘結(jié)劑，再經(jīng)過(guò)一系列過(guò)程得到氣凝膠。以上技術(shù)中以溶膠-凝膠法和靜電紡絲法制備SiO2基納米纖維氣凝膠的應(yīng)用最為廣泛。

2.1 溶膠-凝膠法

作為制備氣凝膠的常見(jiàn)方法，溶膠-凝膠法自十九世紀(jì)被發(fā)現(xiàn)以來(lái)廣泛應(yīng)用于制備玻璃[33-34]、薄膜[35-36]、陶瓷[37-38]、纖維[39- 40]、復(fù)合材料[41- 42]等方面。其制備過(guò)程是將硅源和催化劑混合于溶劑中進(jìn)行初步水解和縮聚形成濕凝膠，進(jìn)而對(duì)濕凝膠進(jìn)行老化、干燥得到SiO2氣凝膠。用醇(甲醇或者乙醇)替代最初的水做溶劑，是由于醇的雙功能性質(zhì)(極性/非極性)可促進(jìn)水和有機(jī)相的互溶性[43- 44]。老化過(guò)程對(duì)凝膠的結(jié)構(gòu)和性能的影響一般存在兩種機(jī)制[45]：a)顆粒較大的SiO2表面發(fā)生溶解，在顆粒和顆粒之間的接觸點(diǎn)上重新沉淀，以提高凝膠骨架的連續(xù)性；b)溶解的顆粒重新沉降到大顆粒上，促使大顆粒進(jìn)一步增大。以上兩種機(jī)制以不同的速度同時(shí)運(yùn)行，通過(guò)相互接觸和互反應(yīng)使膠體內(nèi)部進(jìn)一步形成Si—O—Si鍵，并延伸到整個(gè)凝膠網(wǎng)絡(luò)直至完全成膠，以增強(qiáng)凝膠骨架的力學(xué)性能，減小后續(xù)干燥過(guò)程中凝膠骨架的收縮。干燥處理也是制備氣凝膠的關(guān)鍵技術(shù)[46]，即將濕凝膠中的溶劑完全去除的同時(shí)，保證整個(gè)凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不發(fā)生坍塌，從而得到氣凝膠。常用的干燥方式主要有：超臨界干燥法[47]、冷凍干燥法[48- 49]、常壓干燥法[50-51]。

在溶膠-凝膠法的基礎(chǔ)上又發(fā)展了溶膠澆鑄法[52]和纖維/溶膠混合凝膠法[53]，即通過(guò)加入纖維改善SiO2氣凝膠的力學(xué)性能。溶膠澆鑄法是將SiO2溶膠注入到預(yù)制的纖維體中，纖維/溶膠混合凝膠法是將纖維均勻分散在SiO2溶膠中，然后均經(jīng)過(guò)老化、干燥制備SiO2基納米纖維復(fù)合氣凝膠。

2.2 靜電紡絲法

靜電紡絲作為一項(xiàng)新興技術(shù)，由Anton在20世紀(jì)30年代率先提出，直到90年代正式得到推動(dòng)發(fā)展[54-55]。該項(xiàng)技術(shù)是利用高壓靜電場(chǎng)向聚合溶液液滴表面充電，誘導(dǎo)液體通過(guò)噴頭噴射出來(lái)。靜電紡絲的具體機(jī)理為：當(dāng)施加高壓電場(chǎng)時(shí)，針尖處聚合物溶液的液滴會(huì)高度帶電，產(chǎn)生的電荷均勻分布在液滴表面，液滴同時(shí)受到表面電荷間的靜電斥力和外場(chǎng)的庫(kù)侖力。在這兩種力的作用下液滴被拉長(zhǎng)，在噴頭末端形成懸垂的錐狀液滴(泰勒錐)。隨著電壓增加，靜電力變強(qiáng)，最終克服表面張力，噴射出帶電流體，帶電流體在電場(chǎng)中以較短的時(shí)間內(nèi)經(jīng)拉伸、溶劑揮發(fā)、聚合物固化最終形成纖維[56-59]。王雪琴[6]通過(guò)靜電紡絲制備出SiO2納米纖維膜，將SiO2納米纖維膜剪碎分散于水中，加入有機(jī)物魔芋葡甘聚糖(KGM)攪拌均勻，經(jīng)冷凍干燥、碳化后得到形狀可調(diào)、超低密度、超彈性、導(dǎo)電性好的SiO2/C納米纖維氣凝膠，如圖4所示。

圖4 SiO2/C納米纖維氣凝膠制備流程Fig.4 Schematic diagram of preparation for SiO2/C nanofiber aerogels

3 二氧化硅基納米纖維氣凝膠的應(yīng)用

3.1 隔熱保溫領(lǐng)域

無(wú)機(jī)納米纖維材料具有導(dǎo)熱系數(shù)低、耐高溫、耐低溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，并且由一維納米纖維構(gòu)成的二維納米纖維膜和三維納米纖維氣凝膠都具有高的孔隙率和多級(jí)網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，研究表明具有高比表面積的氣凝膠導(dǎo)熱系數(shù)較低[60]。Si等[61]結(jié)合溶膠-凝膠法和靜電紡絲技術(shù)制得SiO2無(wú)機(jī)納米纖維材料，表現(xiàn)出良好的隔熱性能，但強(qiáng)度較低；Zheng等[62]將SiO2納米纖維與SiO2納米顆粒氣凝膠復(fù)合，制得具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的SiO2納米纖維/氣凝膠復(fù)合材料，在兼具良好柔性的條件下具有優(yōu)異的隔熱性能，傳熱系數(shù)低至0.026 W/(m·K)，可大幅度提高材料在極端條件下的隔熱性能，有望應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，如火星探測(cè)器電池包和航天員艙外活動(dòng)防護(hù)服的絕緣層[63-64]。Kaufmann等[65]、Wordsworth等[66]模擬了用2～3 cm厚的SiO2氣凝膠材料覆蓋在火星表面冰層豐富的區(qū)域，利用氣體的溫室效應(yīng)以及氣凝膠極低的導(dǎo)熱系數(shù)，在不需要任何熱源的情況下，即可保持水以液態(tài)形式存在，從而起到改善火星環(huán)境的作用。進(jìn)而表明SiO2基納米纖維氣凝膠可作為先進(jìn)材料用于極端環(huán)境下對(duì)宇宙的探索。

3.2 空氣過(guò)濾材料

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通、發(fā)電、工農(nóng)業(yè)過(guò)量排放的PM2.5引發(fā)的霧霾問(wèn)題使空氣質(zhì)量變得越來(lái)越差，是全球共同面臨的公共健康問(wèn)題，已成為當(dāng)下社會(huì)的焦點(diǎn)[67-69]。傳統(tǒng)纖維類空氣過(guò)濾材料雖然可以有效攔截微米級(jí)固體顆粒，但對(duì)亞微米級(jí)固體顆粒的過(guò)濾效率偏低，研究表明過(guò)濾材料的纖維直徑降低有利于提高其過(guò)濾效率[70]。Li等[71]以靜電紡絲技術(shù)制備了聚酰胺酰亞胺/雙馬來(lái)酰亞胺(PAI/BMI)納米纖維，用溶膠-凝膠法制備了柔軟的SiO2納米材料，將兩者均質(zhì)到叔丁醇溶液中，經(jīng)冷凍干燥后，加熱得到具有恒溫超彈性、高壓應(yīng)力、低壓降和超高除塵能力(PM0.3>99.97%)的復(fù)合納米纖維氣凝膠，被應(yīng)用于個(gè)人防護(hù)、室內(nèi)凈化以及工業(yè)除塵中。

目前新冠疫情全球大流行引發(fā)的公共衛(wèi)生問(wèn)題，已經(jīng)在全世界造成了社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的混亂。Wang等[72]通過(guò)靜電紡絲技術(shù)分別制備了SiO2納米纖維和細(xì)菌纖維素納米纖維，以硅烷溶膠為黏結(jié)劑將兩者結(jié)合，構(gòu)建了具有籠狀結(jié)構(gòu)的納米纖維復(fù)合氣凝膠。其中SiO2納米纖維構(gòu)成大孔纖維骨架，細(xì)菌纖維素納米纖維在SiO2骨架上形成二次細(xì)納米結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在應(yīng)對(duì)大小變形時(shí)均能保持良好的穩(wěn)定性，使得該納米纖維復(fù)合氣凝膠具有超柔韌性。此外，植入的鹵胺化合物使氣凝膠具有可再生的抗菌和抗病毒功能，故而籠狀的纖維結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定的硅烷黏結(jié)層和抗菌的鹵胺化合物基團(tuán)結(jié)合在一起，使該納米纖維氣復(fù)合凝膠表現(xiàn)出超彈性、高孔隙率、疏水性、可再生的氯化能力、良好的抗菌活性(3 min內(nèi)可降低大腸桿菌6 log CFU)和抗病毒活性(5 min內(nèi)可降低噬菌體6 log PFU)。綜上所述，將SiO2基納米纖維氣凝膠優(yōu)良的過(guò)濾性能與抗菌基團(tuán)相結(jié)合，為開(kāi)發(fā)過(guò)濾超細(xì)顆粒物以及抗菌抗病毒的納米纖維空氣過(guò)濾器提供了思路。

3.3 吸附領(lǐng)域

相對(duì)于有機(jī)吸附和碳吸附材料，SiO2納米纖維材料在擁有高吸附性能的同時(shí)，兼具耐高溫、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定好的優(yōu)點(diǎn)[73]。其中Wang等[74]以SiO2納米纖維作為模板材料，醋酸鋯為鋯源，殼聚糖為分散介質(zhì)，制備出的ZrO2/SiO2復(fù)合納米纖維材料，對(duì)磷酸鹽具有較好的吸附性能；Wei等[75]以TEOS為原料，采用溶膠-凝膠法在正己烷/三甲基氯化硅混合溶液中改性得到親水SiO2氣凝膠(HSA)，對(duì)陽(yáng)離子染料羅丹明B(RhB)、亞甲基藍(lán)(MB)和結(jié)晶紫(CV)具有較高的去除率； Matlas等[76]和Firoozmandan等[77]分別以β-環(huán)糊精和活性炭對(duì)SiO2氣凝膠進(jìn)行表面改性后，對(duì)酚類化合物具有良好的吸附性能；Zhou等[78]和Wilson等[79]分別采用纖維素納米晶須和四甲氧基硅烷對(duì)SiO2氣凝膠進(jìn)行表面改性制得的SiO2基復(fù)合氣凝膠，對(duì)CO2氣體具有良好的吸附性能。從而表明SiO2基納米纖維氣凝膠材料可作為良好的吸附材料，應(yīng)用于水資源凈化以及CO2氣體吸附等方面。

除此之外，Gorle等[80]制備了親水型SiO2氣凝膠，并對(duì)高揮發(fā)性化合物(薄荷醇和甲氧基吡嗪)進(jìn)行吸附測(cè)定，發(fā)現(xiàn)在250 ～ 400 ℃的高溫條件下該氣凝膠對(duì)薄荷醇和甲氧基吡嗪表現(xiàn)出較好的吸附性能。之后通入三甲基乙氧基硅烷蒸汽對(duì)親水型SiO2氣凝膠進(jìn)行改性得到疏水型SiO2氣凝膠，在100 ～ 150 ℃條件下可將薄荷醇和甲氧基吡嗪從該氣凝膠中重新釋放出來(lái)，表明SiO2基復(fù)合氣凝膠作為存儲(chǔ)、傳輸設(shè)備在食品、藥品、香料等相關(guān)行業(yè)存在潛在的應(yīng)用價(jià)值。

3.4 油水分離

通常油水分離可分為兩大類：一是去除石油及石油制品中的水分；二是去除含油污水中的油類[81]。膜分離法因具有操作簡(jiǎn)單、能耗低、沒(méi)有二次污染等特點(diǎn)，成為油水分離的重要發(fā)展方向[82]。對(duì)于油多水少型混合體系的分離，需要材料具有良好的疏水-親油性：即材料表面與水的靜態(tài)接觸角大于150°，滾動(dòng)角小于5°，且與油的靜態(tài)接觸角小于5°；同時(shí)要求材料表面具有低表面能物質(zhì)和微/納米多級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)[83-84]。

為此眾學(xué)者通過(guò)表面改性得到了具有超疏水性的二維結(jié)構(gòu)SiO2基納米纖維膜[85-86]，但由于其孔隙度低、滲透通道短，導(dǎo)致孔隙容易堵塞、循環(huán)效果較差、分離性能易下降[87]。因此為實(shí)現(xiàn)良好的循環(huán)分離效果，應(yīng)達(dá)到以下要求：a)納米纖維要構(gòu)建或組裝成三維氣凝膠結(jié)構(gòu)，以克服二維薄膜通道短的缺陷；b)氣凝膠必須具有良好的抗壓縮疲勞性能；c)油水混合乳液在通過(guò)氣凝膠時(shí)須實(shí)現(xiàn)完全破乳并分離。

基于此思路，Si等[88]提出以聚丙烯腈和SiO2納米纖維為原料構(gòu)建混合纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以氟化苯并噁嗪?jiǎn)误w為交聯(lián)劑，將SiO2納米顆粒分散于莰烯中，經(jīng)冷凍干燥后加熱，得到具有多孔結(jié)構(gòu)且力學(xué)性能良好的納米纖維復(fù)合氣凝膠。該氣凝膠具有特殊潤(rùn)濕性能，與水的靜態(tài)接觸角高達(dá)162°，滾動(dòng)角低至2.2°，這種超疏水、超親油以及良好的潤(rùn)濕性能保證了油在氣凝膠中的快速滲透和轉(zhuǎn)移。利用該氣凝膠對(duì)石油醚-水混合乳液在自身重力作用下(不用額外施加外力)進(jìn)行分離，發(fā)現(xiàn)混合乳液一旦接觸氣凝膠就發(fā)生反乳化，石油醚快速通過(guò)氣凝膠，水被截留在氣凝膠上部，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)使用后其分離效率仍高達(dá)99.995%。得益于以上優(yōu)良特性，該SiO2基納米纖維氣凝膠有望在低驅(qū)動(dòng)壓力下實(shí)現(xiàn)直接、連續(xù)、自動(dòng)、高效地從油水乳化液中分離收集油分，可被應(yīng)用于石油泄漏的清理、廢水處理、燃料凈化以及化工領(lǐng)域相關(guān)乳液的分離。

3.5 催化載體領(lǐng)域

催化凈化技術(shù)對(duì)污染物的降解徹底、高效且穩(wěn)定，是一種有效的治理手段[89-90]，MnO2和Ag作為常見(jiàn)的催化劑廣泛用于催化降解有機(jī)污染物[91]。催化劑的比表面積越大，催化效率越高，因此MnO2往往以粉末形態(tài)存在，但粉末難以回收，使其無(wú)法成為理想的催化劑。而SiO2納米纖維材料具有耐熱性好、化學(xué)穩(wěn)定、孔隙率大等突出特點(diǎn)，有望取代傳統(tǒng)的催化劑載體材料[92]。Wang等[93]將靜電紡絲技術(shù)與水熱合成法結(jié)合制備出力學(xué)性能良好的MnO2@SiO2納米纖維氣凝膠材料，該材料在經(jīng)過(guò)多次循環(huán)后對(duì)亞甲基藍(lán)依然展現(xiàn)出良好的催化降解性能；Yi等[94]將銀納米粒子分散于TEOS溶液中，采用溶膠凝膠法得到Ag@SiO2復(fù)合氣凝膠，對(duì)4-硝基苯酚的催化降解能力比銀顆粒提高了20倍，展現(xiàn)出良好的催化效果。

除此之外，SiO2氣凝膠在極端條件下仍具有優(yōu)異的催化負(fù)載性能，如汽車尾氣排放領(lǐng)域[95-96]。汽油燃燒過(guò)程中溫度可高達(dá)900 ～ 1 200 ℃，同時(shí)存在燃燒不完全的現(xiàn)象，排放的尾氣中含有一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)等有害氣體。在此條件下，大多數(shù)催化劑載體會(huì)喪失其高的比表面積，性能退化，而SiO2氣凝膠在此溫度下仍可保持結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定，有望成為良好的催化劑載體，提高有害氣體轉(zhuǎn)化為N2和CO2的效率。

3.6 傳感領(lǐng)域

納米纖維氣凝膠具有三維立體多孔結(jié)構(gòu)，有利于目標(biāo)檢測(cè)物在材料內(nèi)部快速傳播；同時(shí)納米纖維氣凝膠比表面積大，易于表面改性，可為目標(biāo)檢測(cè)物反應(yīng)提供豐富的活性位點(diǎn)，有利于提升傳感器的靈敏度、響應(yīng)速率以及檢測(cè)極限[97-99]。其中東華大學(xué)丁彬課題組[6,100]以柔性SiO2納米纖維為骨架，以魔芋葡甘聚糖為碳源，制備出具有蜂窩狀胞腔結(jié)構(gòu)的形狀可調(diào)、超低密度、超彈性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的SiO2/C復(fù)合納米纖維氣凝膠。由于SiO2納米纖維表面包覆了納米碳層，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，使得該氣凝膠對(duì)微小壓力具有靈敏響應(yīng)能力。通過(guò)對(duì)人體脈搏跳動(dòng)的感應(yīng)測(cè)試，證明了SiO2/C復(fù)合納米纖維氣凝膠可以檢測(cè)到人體脈搏跳動(dòng)的微小改變，因而有望用作壓力傳感材料。

該課題組同樣以柔性SiO2納米纖維為構(gòu)筑單元，以海藻酸鈉為凝膠聚合物，制備了具有超高吸水性的海藻酸鈉/SiO2納米纖維復(fù)合氣凝膠，將該氣凝膠浸入含鋁離子的水溶液中可形成水含量高達(dá)99.8%的三級(jí)水合海藻酸鈉/SiO2納米纖維復(fù)合水凝膠[101]。由于其獨(dú)特的蜂窩狀胞腔結(jié)構(gòu)使其展現(xiàn)出優(yōu)異的形狀記憶功能和機(jī)械穩(wěn)定性能，解決了現(xiàn)有水凝膠脆性大、彈性差的問(wèn)題，同時(shí)該復(fù)合水凝膠優(yōu)異的壓縮回彈性和良好的導(dǎo)電性賦予了材料對(duì)微小壓力的靈敏感應(yīng)性，可以在大范圍內(nèi)檢測(cè)動(dòng)態(tài)壓力，有望用做高靈敏度傳感材料，為設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)各種多功能水凝膠提供新的思路。

4 總結(jié)及展望

通過(guò)對(duì)以上SiO2基納米纖維氣凝膠的制備以及相關(guān)應(yīng)用的闡述，可以發(fā)現(xiàn)該類氣凝膠材料往往以SiO2納米纖維為骨架，加入不同的聚合物體系合成SiO2基納米纖維氣凝膠復(fù)合材料，在確保傳統(tǒng)SiO2氣凝膠超輕、耐高溫、低導(dǎo)熱、化學(xué)穩(wěn)定、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，更多是為克服傳統(tǒng)SiO2氣凝膠力學(xué)性能較差的問(wèn)題，從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，如何提高SiO2的鍵能結(jié)合強(qiáng)度，制備力學(xué)性能優(yōu)良的SiO2基納米纖維氣凝膠是提高其實(shí)際應(yīng)用的根本性出路，目前報(bào)道出的SiO2基納米纖維氣凝膠復(fù)合材料雖已經(jīng)取得了超彈性的優(yōu)點(diǎn)，但仍存在抗拉伸及剪切能力較差、工藝復(fù)雜、能耗高、成本高、工業(yè)化大量生產(chǎn)性能的穩(wěn)定性難以保證等突出問(wèn)題，因此還需進(jìn)一步研究獲得具有理想力學(xué)結(jié)構(gòu)的SiO2基納米纖維氣凝膠復(fù)合材料以滿足其更廣泛的應(yīng)用。