面向先进吸附界面的气凝胶机理设计：从孔隙结构到表面化学

《Materials Today Chemistry》：Mechanistic design of aerogels for advanced adsorptive interfaces: From pore structure to surface chemistry

　　# 摘要- 从孔结构到表面化学，对气凝胶的吸附机理进行系统分析。- 分级孔道通过尺寸筛分、限域效应、传质以及孔道可及性来调控吸附。- 表面官能团可与吸附质发生离子、配位和共价相互作用。- 硅基、纤维素基和碳基气凝胶各自具有独特的吸附优势和设计策略。- 提出了面向规模化生产、结构化吸附剂以及真实吸附条件的关键挑战。# 引言气凝胶是一类三维纳米多孔材料，具有高孔隙率（>92%）、低密度（<0.14 g/cm3）以及大比表面积（最高可达 >2000 m2/g）。自 20 世纪 30 年代由 Kistler 团队首次合成以来 [1]，气凝胶的研究与应用不断拓展，涵盖了无机 [2]、有机 [3] 和聚合物气凝胶 [4] 等多种材料体系，并推动着多学科交叉融合。凭借其独特的理化性质，气凝胶已广泛应用于隔热 [5]、催化 [6]、储能 [7]、生物医药 [8] 等领域，并进一步拓展至分离与环境修复 [9]，成为现代材料科学最重要的研究热点之一。吸附作为一种高效、绿色的分离与富集手段，长期以来在环境修复（去除工业废水中的重金属及有毒物质）[22]、资源回收（低成本回收废物流中的可用资源）[23]、气体储存（目标气体的绿色高效储存与输送）[24] 以及药物递送（吸附后药物分子的方向性缓释）等方面发挥着关键作用。全球研究者的广泛关注聚焦于吸附剂材料设计、吸附机理阐释以及结构–性能关系优化 [25]，推动了活性炭 [26]、沸石 [27]、金属–有机框架（MOFs）[28] 和多孔聚合物 [29] 等吸附剂的不断发展。近年来，随着吸附领域对新型高性能材料需求的日益增长，研究者开始将多孔功能组分与具有三维连续网络的基体结合，将单一多孔材料发展为结构复合的多孔吸附剂 [30]。其中，气凝胶凭借其可调的孔结构和功能丰富的表面，在吸附领域逐渐受到关注 [[31], [32], [33], [34]]。结构上，气凝胶的纳米骨架构建了相互连通的三维开放多孔网络，包含微孔（<2 nm）、介孔（2–50 nm）和大孔（>50 nm）。这种分级结构有利于吸附质的传质，同时提高活性位点的暴露程度 [35]。化学上，气凝胶表面富含活性甲基基团，可方便地接枝氨基、羧基和羟基等多种官能团 [36]，从而增强物理与化学吸附能力，实现对不同物质的选择性吸附与固定。结构与界面化学的协同调控 [37,38] 为其在多种吸附场景中的应用奠定了坚实基础。吸附性能不仅是衡量气凝胶功能性的关键指标，也直接决定其在环境工程、能源系统和生命科学等领域中的实际应用效果。因此，全面理解多孔气凝胶的吸附行为及其背后的结构–性能关系，对于推进气凝胶材料的功能设计与应用开发具有重要意义。因此，近年来已有若干研究从不同角度综述了气凝胶的发展，包括材料设计、环境应用以及具体吸附过程 [39,40]。然而，不同气凝胶体系中孔结构、表面化学与吸附行为之间的内在关系，仍需从统一的机理视角予以系统阐明。本文对多孔气凝胶的吸附性能进行了全面综述，讨论了与吸附相关的理论基础和孔结构特征，分析了气凝胶中物理吸附与化学吸附的主要机理，并选取硅基气凝胶、纤维素基气凝胶和碳基气凝胶三种代表性类型，总结其吸附特性与调控策略，旨在为多孔气凝胶吸附的深入研究及功能设计提供理论支持与方向指引。# 章节摘要## 2.1.1 单组分吸附模型在吸附研究中，通常采用多种吸附模型来更深入地理解吸附过程及其规律。这些模型一般根据吸附质的组成分为单组分和多组分吸附模型。单组分吸附模型可追溯至 1803 年，William Henry [41] 提出了描述气体在液体中溶解的 Henry 定律（公式 (1)），其指出在……条件下。## 3.1 硅基气凝胶硅基气凝胶是最具代表性且研究最成熟的多孔体系之一，具有三维 Si–O 网络结构、高孔隙率（80–99.8%）、大比表面积（500–1500 m2/g）以及超低密度（0.003–0.2 g/cm3）[107]。这些特性使其在吸附、分离和催化方面表现出优异性能。然而，其固有的脆性导致框架在循环吸附过程中发生坍塌。可通过老化优化 [108,109]、添加纤维 [[110], [111], [112]] 等方式实现结构增强……## 4.1 结论本综述从吸附模型、吸附机理以及结构–性能相关性等方面整合了面向吸附的气凝胶研究进展。通过对比硅基、纤维素基和碳基三种代表性气凝胶的改性策略与吸附性能，揭示了内在结构、表面化学以及可调控的功能化策略的差异，赋予了它们对有机污染物、金属离子和气体……方面各具特色的吸附优势。## CRediT 作者贡献声明**李凌涵（Linghan Li）**：论文写作与审阅修订、初稿撰写、研究方法。**别维民（Weimin Bie）**：项目管理、研究方法。**李沛（Pei Li）**：监督指导、调查研究。**刘璐（Lu Liu）**：论文写作与审阅修订、形式分析。**钱诚浩（Chenghao Qian）**：论文写作与审阅修订、项目管理。**朱思宇（Siyu Zhu）**：调查研究、形式分析。**程旭东（Xudong Cheng）**：项目管理、研究方法、概念构想。**张和平（Heping Zhang）**：监督指导、项目管理。**潘月磊（Yuelei Pan）**：论文写作与审阅修订、项目管理。## 利益冲突声明作者声明不存在已知可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。## 致谢本工作得到中国国家自然科学基金（编号 52374238 和 52474257）以及中央高校基本科研业务费专项资金（编号 WK2320000058、WK2320000063、WK2320000064 和 WK2320000075）的资助。李凌涵 | 别维民 | 李沛 | 刘璐 | 钱诚浩 | 朱思宇 | 程旭东 | 张和平 | 潘月磊