气凝胶作为“可以改变世界的神奇材料”，是目前已知导热系数最低、密度最低的固体隔热材料，被称为“凝固的烟”、“蓝烟”，也是国家基础战略性前沿新材料，对降低碳排放、实现“双碳”目标具有重要战略意义。

气凝胶的防火隔热主要来源于它的特殊的结构，我们可以把气凝胶理解成多孔海绵的一个纳米版。它的孔径基本上是20-50纳米的微孔径，空气分子大小约为70纳米，大于气凝胶材料孔隙的直径，因此空气在气凝胶上流动效率极低，隔热性能很好。

气凝胶具有高比表面积、高空隙率等特殊的微观结构特点，化学性能稳定、导热系数低、耐高温、使用温度范围广、寿命长。近年来，中国、美国、欧洲等国家和地区的研究人员通过改进气凝胶制备工艺，开发出生物质基气凝胶等多种新型气凝胶。

气凝胶是一种超材料，它非常轻，即使把一块气凝胶放在花蕊上也不会将其压弯。目前，各种各样的气凝胶被开发出来，它们或柔软或坚硬，或导电或绝缘，应用领域广泛。1月10日，中铁一局集团有限公司表示，河南省新乡蒸汽管网项目全面通过验收。蒸汽管网对防腐、保温要求极高，其管道选用了高温离心玻璃棉及纳米气凝胶复合保温材料。项目技术负责人汪惺说，纳米气凝胶隔热效果是传统隔热材料的2—5倍，可极大提高施工质量和施工效率，降低施工成本。

作为目前已知导热系数最低、密度最小的固体材料，气凝胶可谓是材料领域的“隔热王者”，并已在航天、石化等领域应用。比如“天问一号”探测器发动机与火星车表面、“长征五号”遥四运载火箭发动机高温燃气系统隔热、嫦娥四号探测器热电池防护等都应用了气凝胶。在我国提出“双碳”目标后，随着技术的不断创新，气凝胶的应用场景也在进一步扩大。

具有耐高温、高弹性、强吸附等特性

气凝胶是一种纳米级的多孔固态新型材料，所有孔的体积合起来占整个气凝胶体积的绝大多数，甚至可以达到99％以上，具有高比表面积、高空隙率、纳米级孔洞、低密度等特殊的微观结构特点，化学性能稳定、导热系数低、耐高温、高弹性、强吸附、防水效果好、使用温度范围广、寿命长。

“可以把气凝胶理解成多孔海绵的一个纳米版。”气凝胶领域技术专家王贝尔说，其孔径在20纳米至50纳米之间。而空气分子大小约为70纳米，大于气凝胶孔隙的直径，因此空气在气凝胶上流动效率极低，加上气凝胶本身比热容很高，热辐射传递能降到最低，因而具有很好的隔热性能。

气凝胶主要分为无机气凝胶、有机气凝胶和有机—无机杂化气凝胶三类。其中，无机气凝胶是以无机物为主体，包括单质气凝胶、氧化物气凝胶和硫化物气凝胶等。有机气凝胶则是以有机物为主体，主要包括酚醛气凝胶、纤维素气凝胶、聚酰亚胺气凝胶、壳聚糖气凝胶以及壳聚糖—纤维素气凝胶等。有机—无机杂化气凝胶可利用有机物和无机物各自优势，实现气凝胶特殊的功能化。

《科学》杂志2021年将气凝胶列为十大热门科学技术之一，并称其为“可以改变世界的多功能新材料”。王贝尔说，气凝胶是《科学》杂志评选出的十大新材料中，唯一一个已大规模落地于实际商业场景的材料。

气凝胶的制备工艺主要分为两步，即通过溶胶—凝胶过程制备凝胶，再利用一定的干燥方法将凝胶内的液态物质替换为气态，从而制得气凝胶。

有数据显示，在气凝胶行业的成本结构中，制造成本约占45%。苏州锦富技术股份有限公司董事长助理郑松说，降低气凝胶成本是行业正在努力的一个方向，目前主要路径之一是自动化产线的落地，而成本降低将会打开更多的应用场景。

生物质基气凝胶成研究热点

据中国石油管道科技研究中心评估，以350摄氏度蒸汽管道的保温应用为例，相比于传统保温材料，气凝胶的保温层厚度可减少2/3，节约能耗40%以上，每公里管道每年可减少二氧化碳排放125吨。

数据显示，2021年油气领域对气凝胶的需求占总需求量的56%，另有18%用于工业隔热、9%用于建筑建造、8%用于交通运输。国家新材料产业发展战略咨询委员会在《2022气凝胶行业研究报告》中指出，在新能源汽车蓄电池芯模组中采用气凝胶阻燃材料，可将电池包高温耐受能力提高至800摄氏度以上。随着新能源汽车产业等的发展，气凝胶在新能源汽车及储能行业应用场景广泛，需求量有望持续提升。

气凝胶发展迅速。国务院发展研究中心国际技术经济研究所分析员李维科说，近年来，中国、美国、欧洲等国家和地区的研究人员通过改进气凝胶制备工艺，开发出生物质基气凝胶、石墨烯气凝胶、聚合物气凝胶等多种新型气凝胶。值得一提的是，生物质原料来源广泛、成本低廉、碳源丰富，利用生物质原料制备环保型多孔碳纤维气凝胶是一种经济、可持续的生产方式，因此目前生物质基气凝胶也成为研究的热点。

比如中国科学技术大学俞书宏院士团队研发出超弹性纤维素气凝胶，该纤维素气凝胶从室温到零下196摄氏度，都表现出不随温度变化的超弹性、优异的抗疲劳性等，在恶劣环境中具有巨大的隔热潜力。且制备中所使用的材料均为生物质原料，有望解决能源密集型技术和石化材料造成的环境污染问题，是传统不可再生气凝胶的理想替代品。

中国林业科学研究院木材工业研究所卢芸研究员团队以木材为基质，将无机、有机气凝胶与木材骨架基体复合，首创了第三代木质纤维素气凝胶。通过对木材及生物质废弃物纤维素的调控，将纤维素比表面积提高了7个数量级，对油污吸附能力高达自身质量的75—300倍，体积用量缩减50%—75%，可降解、可再生。

气凝胶近期十大研究突破

（1）《由正交石墨烯和氮化硼纳米带构建的超弹性、高导电、超疏水和强大的电磁屏蔽混合气凝胶》“Superelastic, Highly Conductive, Super hydrophobic, and Powerful Electromagnetic Shielding Hybrid Aerogels Built from Orthogonal Graphene and Boron Nitride Nanoribbons”

三维(3D)弹性气凝胶可以实现多种应用，但通常受到其低热和电传递效率的限制。目前，制备集成高弹性、导热性和导电性的气凝胶材料仍然是一个巨大的挑战。

陕西科技大学宋浩杰教授和西北工业大学付前刚教授、宋强研究员等人提出了一种利用六方氮化硼纳米带(BNNRs)与原位生长的正交结构石墨烯(OSG)组成的杂化碳/陶瓷结构单元制造高导热和导电气凝胶的方法。由此得到的OSG/BNNR混合气凝胶在45.8 mg cm-3的低密度下表现出非常高的导热性和导电性(分别高达7.84 W m-1 K-1和340 S m-1)。此外，混合气凝胶具有宽温度不变超弹性(−196 —— 600℃)、低压驱动焦耳加热(在1-4 V下可达42-134℃)、强疏水性(接触角可达156.1°)和强大的宽带电磁干扰屏蔽(EMI)等综合性能，在反复机械变形和强酸或强碱溶液的长期浸泡下均能保持良好。

（2）《气凝胶纳米包覆摩擦电纱在高温环境下采集电能》“Harvesting Electrical Energy from High Temperature Environment by Aerogel Nano-Covered Triboelectric Yarns”

将电源集成到织物中为可穿戴技术提供了广阔的发展前景。其中摩擦纳米发电机（TENG）为集成到织物中的智能电子纺织品提供了新的思路。然而，TENG具有摩擦起电材料固有的局限性，难以抵抗高温。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、陈宝东副研究员等人提出了一种基于全纱线的摩擦电纳米发电机(Y-TENG)，文章采用简单的工艺策略，在聚酰亚胺纳米包覆层静电纺丝过程中引入二氧化硅气凝胶，制成多层稳定的摩擦电纱。可以在25 —— 400℃的温度范围内收集电能并感知生物运动，大大提高了温度上限。进一步研制了配合智能防护服的自供电运动特性监测系统，可以实现实时感知和救援，验证了该材料在能量发生器方面具有广阔的应用前景。

（3）《超弹性凯夫拉尔纳米纤维气凝胶作为智能热管理的稳健热开关》“Hyperelastic Kevlar Nanofiber Aerogels as Robust Thermal Switches for Smart Thermal Management”

热开关是一种调节热阻并根据需要将其置于“开”或“关”模式的装置。大多数热开关需要通过复杂的结构设计，设计简单且轻便高效的热开关具有挑战性。

东南大学孙正明教授、张培根副教授和中科院苏州纳米所王锦项目研究员等人采用慢质子释放调制凝胶和热诱导交联策略，设计并制备了超弹性Kevlar纳米纤维气凝胶(HEKAs)。该方法不使用交联剂，且HEKAs表现出超低密度(4.7 mg cm−3)低导热系数(0.029 W m−1 K−1)、高孔隙率(99.75%)、高热稳定性(550°C)、增加的压缩回弹性(80%)和抗疲劳性。该热开关具有较快的热响应速度(0.73°C s−1)、高热流通量(2044 J m−2 s−1)和7.5的开关比。研究为满足多孔气凝胶的超弹性和按需定制热流提供了一条途径。

（4）《来自全生物质前驱体的稳健碳质纳米纤维气凝胶》“Robust Carbonaceous Nanofiber Aerogels from All Biomass Precursors”

开发可大规模生产的可控、可持续、低成本的路线来生产具有良好机械性能的气凝胶仍然是一项艰巨的挑战。

中国科学技术大学俞书宏院士团队提出了利用生物质纳米纤维模板定向水热炭化法制备碳质纳米纤维气凝胶的通用路线。该方法所制备的碳质纳米纤维表面暴露出丰富的官能团，与传统的天然生物聚合物气凝胶相比，通过调整合成参数，CNFAs获得了良好的可回收性和高强度的优越组合。通过将3D交联结构与CNF表面的不同官能团相结合，构建了一种价格低廉的快速水处理装置，可实现染料的快速去除（3183 L h-1m-2）和高吞吐量（超过90%的去除效率）。该文提出的合成方法和可持续发展的概念将为广泛制备具有独特性能的高级气凝胶开辟新的途径。

（5）《具有持久的热流体超驱避性能的弹性氟改性SiO2@sponge复合气凝胶》“Durable thermal fluid super-repellency of elastic fluorine-modified SiO2@sponge composite aerogel”

弹性气凝胶材料具有持久地在空气中进行热管理的巨大潜力。然而，由于热流体的吸湿性，如何直接持久地在热流体中保持稳定仍然是一个重要的挑战。

西南科技大学材料与化学学院&环境友好能源国家重点实验室王山林副教授团队制造了一种弹性氟改性SiO2@sponge复合气凝胶，它密度低，比表面积高，在空气中的导热系数低，具有高应力-应变(60%应变下大于180kpa)，以及多项优秀热管理性能，且在60%应变下压缩1000次循环仍具有良好的性能。在直接面对200 mL热液体或热蒸汽12小时后，最高背温低于60℃。该材料将为在热管理领域特别是流体热管理领域的应用提供更显著的适应性和选择性的独特优势。

（6）《超弹性三维组装粘土/石墨烯气凝胶用于连续太阳能海水淡化和油/有机溶剂吸收》“Superelastic 3D Assembled Clay/Graphene Aerogels for Continuous Solar Desalination and Oil/Organic Solvent Absorption”

近年来，新开发的太阳能界面蒸发技术引起了广泛关注。但在处理高浓度盐水时，构建可长期保持高蒸发速率的太阳能蒸发装置是一个巨大的挑战。

山东第一医科大学李晨蔚教授、丁美春副教授与中科院化学所刘琛阳研究员等利用商业泡沫作为牺牲骨架，制备了超弹性、任意形状的三维组装粘土/石墨烯气凝胶(CGAs)用于太阳能脱盐和有机溶剂吸附。CGAs在95%的压应变和0.09 —— 0.23 MPa的压应力下具有超弹性。使用粘土作为骨架支撑显著减少了石墨烯50%的使用。疏水性CGAs的溶剂吸收能力为自身重量的186 —— 519倍。此外，研究人员还设计了三维组装的亲水CGA可以用于高效太阳能除盐。组装的CGA系统表现出极高的蒸发率和优异的耐盐性能，即使在20 wt%的盐水中连续36小时照明，也没有盐沉淀，这是太阳能海水淡化装置中报道的最佳结果。该工作在连续太阳能脱盐和高效的油/有机溶剂吸附方面具有巨大的应用潜力。

（7）《高熵合金气凝胶:二氧化碳减排的新平台》“High-entropy Alloy Aerogels: A New Platform for Carbon Dioxide Reduction”

高熵合金气凝胶(HEAAs)结合了高熵合金和气凝胶的优点，是催化反应中很有前景的新平台。然而，由于不同金属的还原势和混相行为的差异，单相HEAAs的实现仍然是一个巨大的挑战。

江南大学化学与材料工程学院刘天西教授团队采用冻融法制备了一系列高熵合金气凝胶，作为二氧化碳还原反应(CO2RR)的高活性、耐久电催化剂。机理研究表明，高熵合金气凝胶独特的三维网络结构、金属间的强相互作用以及表面丰富的不饱和位点，调控了其电子结构，优化了催化剂表面HCOO*中间体的吸附和解吸强度，抑制了一氧化碳的吸附及析氢副反应，从而增强了其催化活性、选择性及稳定性。这项工作不仅为HEAAs的制备提供了一种简便的合成策略，而且为高效催化剂的开发开辟了道路。

（8）《纯天然木材气凝胶》“An All-Natural Wood-Inspired Aerogel”

木材的定向孔结构使其具有多种优异的性能，其中较低的导热系数吸引了研究者们开发类木材气凝胶作为优良的隔热材料。然而，日益增长的环保要求对气凝胶的可持续性提出了新的严格要求。

中国科学技术大学俞书宏院士和管庆方副教授团队报道了一种由纯天然成分组成的纯天然木材气凝胶，并开发了一种激活表面惰性木材颗粒的方法来构建气凝胶。该方法得到的木质气凝胶具有与天然木材相似的通道结构，使其具有比大多数现有商业海绵更好的隔热性能。此外，还具有优异的阻燃性和完全的生物降解性。由于上述突出的性能，这种可持续的木材气凝胶将是现有商业热绝缘剂的理想替代品。

（9）《石墨烯气凝胶锚定TinO2n-1/MXene分层双功能催化剂用于柔性高能锂硫电池》“TinO2n-1/MXene Hierarchical Bifunctional Catalyst Anchored on Graphene Aerogel towards Flexible and High-Energy Li–S Batteries”

具有高能量密度、灵活性和安全性的锂硫(li -硫)电池的发展对新兴的植入式设备、生物监测和可卷起显示器非常有吸引力。然而，现有的硫阴极、易燃液体电解质和极活性锂阳极的循环稳定性和灵活性差，引发了严重的电池性能下降和安全问题。

北京航空航天大学Shichao Zhang、邢雅兰副教授、清华大学深圳国际研究生院周光敏副教授团队提出了一种由3D柔性正极、GPE和机械性能增强的锂金属负极组成的灵活安全的柔性锂硫电池。金属1T MoS2和富氧空位TinO2n-1 /MXene分层双功能催化剂(Mo-Ti /Mx)，锚定在还原氧化石墨烯-纤维素纳米纤维(GN)宿主(Mo-Ti /Mx - GN)上作为三相正极材料，结合Li2S6电解液以解决上述问题。通过应用定向凝固工艺，实现了具有波浪形多拱形态的柔性GN支架的分层结构。1T MoS2和TinO2n-1 /MXene的协同作用有利于抑制锂多硫化物(LiPSs)的穿梭行为，加快硫物种的氧化还原动力学，促进锂多硫化物电催化还原为Li2S。Mo-Ti/Mx-GN电极即使在高硫负载量（8.4 mgs cm-2）和贫电解液（7.6 μL mgs-1）条件下，仍然表现出良好的循环稳定性。由Mo-Ti/Mx-GN柔性电极、GPE和机械性能增强的锂负极组装的软包Li-S电池表现出优异的柔性和安全性能。

（10）《用于水分诱导能量收集和自供电电子皮肤的仿生气凝胶》“Biomimetic Aerogel for Moisture-Induced Energy Harvesting and Self-Powered Electronic Skin”

基于湿电发生器的蓝色能源得到了广泛的研究。提高MEGs系统的功率，扩大其在自供电电子皮肤中的应用还面临着重大挑战。

四川大学傅强教授、邓华教授等人受蕨类植物结构的启发，开发了一种仿生湿电气凝胶IL-GO/GO@PVA作为MEGs用来收集能量。聚乙烯醇树枝状胶体充当“根”和“茎”，为运输水分子提供支撑和通道。与此同时，“叶子状”氧化石墨烯薄片通过与水直接相互作用来发电。此外，基于上述仿生结构，文章通过增加比表面积(120.4 m2 g - 1)和引入超高离子密度梯度(从−35 mV到+37 mV)进一步增强了meg的输出性能。由于具有良好的吸水性，该材料具有良好的耐盐性和循环稳定性。通过构建独特的仿生结构、超高离子密度梯度和调节环境条件，该研究制备的高性能MEG，具备超高开路电压(1.9 V)和短路电流(82.5 μ a)，以及拥有连续输出MEG中行业领先的功率密度(22.55 μ W cm−2)。此外，作者演示了该MEGs部件能够准确地响应环境和压力变化，显示出其在自供电电子皮肤中的应用潜力。

文章来源： 高分子科学前沿，科技日报，万创投行