摘要：硅气凝胶是一种具有特殊三维可控网络结构、较大比表面积和较高孔隙率的纳米多孔材料，因此在诸多领域表现出独特的性质和很好的应用价值。本文综述了其研究现状、常用合成方法以及其应用领域，并对其发展趋势进行了展望。
关键词：硅气凝胶；纳米；多孔材料
中图分类号：TQ171文献标识码：A文章编号：1671—1580（2014）05—0001—04
众所周知，纳米材料是尺度在1~100nm范围的材料，其尺度处于原子簇和宏观物体的交接区域，故具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，并因此在电学、力学、光学、磁学、热学等诸多方面产生独特的性能［1］。多孔材料是指具有大量纳米孔道的材料，其结构空旷，表面积巨大，吸附容量大及许多特殊的性能，在吸附、分离、催化、环境污染处理、色谱分离材料等［2-7］诸多领域得到广泛的应用。作为一种新型纳米材料，多孔材料同时又是其他纳米材料的“制造工厂”，因此，在学术界成为众多研究者研究的焦点之一［8］。
硅气凝胶是结构可控的纳米多孔材料的一种，具有胶体粒子相互聚集构成的特殊的三维网络结构和较高的孔隙率，因此，在热学、光学、电学、力学、声学等方面都表现出独特的性质和很好的应用价值［9-18］。本文对纳米多孔硅气凝胶的研究现状、合成方法及其应用领域进行综述。
一、纳米多孔硅气凝胶材料的研究现状
按照国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)的定义，无机有序多孔材料根据它的孔径大小可分为4类：超微孔材料(孔径小于0.7nm的微孔)，微孔材料(孔径小于2nm)，介孔材料(孔径为2~50nm)，大孔材料(孔径大于50nm)［19］。多孔材料是人们最先认识的纳米材料之一，早在1756年，人们就发现了天然沸石，并且慢慢认识到天然沸石的微孔性质及其在吸附、离子交换等方面的性能。而在20世纪40年代，人们就己经开始人工设计合成多孔材料［20］。
纳米多孔SiO2气凝胶最早由斯坦福大学的S.S.Kistler于1931年利用水解水玻璃的方法及超临界干燥技术制得［21］，但当时制备过程繁琐、漫长且产品纯化困难。到1966年，J.B.Peri.［22］利用硅酯经一步溶胶-凝胶法制备出SiO2气凝胶，使干燥周期大大缩短，使其微孔分布更趋于均匀，从而进一步推动了SiO2气凝胶的研究进展。1974年,Cantin等［23］首次报道将SiO2气凝胶应用于Cerenkov探测器。此后， SiO2气凝胶作为隔热材料又成功地应用于双面窗［24］。这些实际应用的成功引起了科学家对其研究的巨大兴趣。1985年,Tewari［25］使用二氧化碳为超临界干燥介质，成功地进行了湿凝胶的干燥，推动了SiO2气凝胶的商业化进程。
近年来，气凝胶的研究主要集中在德国BASF、BESY公司，美国的洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)、桑地亚国家实验室，法国的蒙彼利埃材料研究中心，瑞典的LUND公司及美、德、日的大学。在国内，气凝胶的研究最早见于1995年的同济大学玻耳固体物理研究所，它率先在德国大众汽车基金会资助下，研制了一套气凝胶制备及若干性质测量的设备，并和德国维尔兹堡大学物理所合作开展气凝胶材料的系统研究。另外，北京科技大学、北京化工大学、四川大学、山西大学、西北大学、中国地质大学、中科院山西煤化所等高校和科研机构也发表过相关论文［26］。
二、纳米多孔硅气凝胶材料的合成方法
目前合成多孔材料的方法大致有：室温合成法［27］、微波合成［28］、湿胶焙烧法［29］、相转变法［30］、溶剂热法［31］等合成方法。其中对纳米孔硅气凝胶的制备多采用的是溶剂热法和溶胶-凝胶法等。
溶剂热法是利用预先制备的杂合物前驱体在高温高压下反应活性得以提高，前驱体间发生相互作用自组装生成多孔材料的一种方法［32］。M41S系列分子筛最初就是在水热条件下，于碱性介质中， 通过OH-催化正硅酸乙酯产生硅物种， 然后进行超分子组装形成的［33, 34］。
溶胶-凝胶法是室温合成法的一种，是指金属的有机或无机化合物在溶液(一般指有机溶剂)中水解、缩合成溶胶液，然后去除溶剂形成凝胶，最终制得固体氧化物或其他固体化合物的方法，该方法由于方便易行、反应条件温和、重现性好等优点成为制备纳米多孔气凝胶材料最常用的技术。有关溶胶-凝胶法制备多孔硅气凝胶的制备原理、凝胶的形成过程、反应的方程式及凝胶的后处理等过程在我们之前的研究中都做了详细说明［26, 35］。大量的文献表面，溶胶-凝胶法不仅可用于制备纳米多孔块状硅气凝胶，而且还可制备纳米粉体、复合以及球状硅气凝胶。我们采用溶胶-凝胶法对块状硅气凝胶的影响因素、制备条件、表面改性及热稳定性等都做了详细的研究［36-38］，而且还制备了掺杂TiO2和水镁石纤维的复合硅气凝胶［39］。李阳、伍媛婷等［40, 41］采用该方法制备了二氧化硅超细粉体，并对其性能进行了研究。张冬娜，祖立成等［42, 43］采用该方法制备了复合的二氧化硅气凝胶。段涛，李臻等［44, 45］采用该方法制备了二氧化硅气凝胶微球，并对其形成机理进行了研究。
三、纳米多孔硅气凝胶材料的应用
1.纳米多孔硅气凝胶可作保温隔热材料
由于纳米多孔硅气凝胶具有较低的热导率，因此被广泛应用于各种特殊的窗口隔热体系、太阳能集热器中和太阳能房子的节能材料及航天航空器上理想的隔热层等。自20世纪中期，美国Monsanto公司Samuel Kistler首次将纳米孔结构模型在硅气凝胶上变成现实后，更发挥了硅气凝胶作为超级隔热材料在航空、航天领域的应用优势［46］。此外，Jensen［47］等人利用多孔硅气凝胶填充玻璃中间层使其隔热性能更好，从而展示了硅气凝胶窗广阔的市场前景。倪星元［48］等制备金属铝膜与多孔SiO2气凝胶复合成保温隔热薄膜，使其保温隔热效果提高了5倍。
2.纳米多孔硅气凝胶作为吸附催化材料可用于环境污染处理
纳米多孔硅气凝胶大的比表面积使其表现出极好的吸附性能，因此，常用于环境污染中处理废水、废气，放射性废物、核燃料等。其中刘善云［49］研究了二氧化硅气凝胶对水中微量苯酚和甲醛的吸附，崔升等［50］研究了SiO2气凝胶对废水中硝基苯的吸附性能。此外，作为室温气体捕获剂，多孔硅气凝胶可吸附燃气中CO2、SO2等气体，从而达到净化燃气的目的。作为催化剂常和其他金属氧化物复合使其催化活性提高数倍［51］。
3.纳米多孔硅气凝胶可作光学传感器和集成电路的衬底材料
这主要是由多孔硅气凝胶极好的光学和电学性能决定的。早在1974年，粒子物理学家Cantin等［52］已将硅气凝胶应用于Cerenkov探测器。在黄娆［53］等研究的几种低介电材料中,SiO2气凝胶很适合超大规模集成电路发展的需求。
4.纳米多孔硅气凝胶可用于其他领域
该种材料制成外形规则且粒径可控的微球可极大地扩展其作为色谱分离材料在高效液相色谱填充柱（特别是应用于生物大分子的分离上)等领域的应用［54］。此外，该种材料可用于装修房子的地板材料和运输、超声等机械装置上的声阻抗材料，医学方面用于药物控制释放体系，还可做生物触媒的载体、高效充电电池，高效杀虫剂、化妆品中的除臭剂和分形学等基础科学的研究。
四、结语
硅气凝胶是一种具有独特物理化学性能的新型纳米多孔材料，其空旷的结构、大的比表面积和高的空隙率使其在众多领域备受青睐。随着技术的改进和其应用领域的拓展，块状的、粉状的、球状的以及各种掺杂的、增强型的和复合型的硅气凝胶应运而生，这就极大地提高了其在某一方面的性能，并拓宽了其应用范围，特别是在高新技术领域具有不可取代的地位。
因此，可以预见，随着信息技术和科技力量的大幅提高以及对硅气凝胶制备技术的逐步完善和优化，硅气凝胶及其复合相关产物必将在未来的材料领域中占有越来越重要的地位，在人类生活和高技术领域发挥着越来越重要的作用。
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Progress in the Study of Nanoporous Silica Aerogels MaterialsMA Yanchun，LI Yunhui & ZHANG Weina
Abstract：Silica aerogels are one of thenanoporousmaterials, which have special three-dimension net structure, higher specific surface area and porosity, so, they show many unique properties and better applied value. In this paper, their research status, prepared methods and application field were summarized and their prospect of development had been proposed.
Key words:Silica aerogels；nanometer；porous materials
总结经验 把握内涵 明确目标 专业发展
——在吉林省2013年度干训工作会议上的讲话
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