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纳米气凝胶在航天，国防，通讯，医用，石油，化工，矿产，轨道交通，船舶，新能源，核电，建筑以及环保等许多领域获得广泛应用。二氧化硅气凝胶是迄今为止保温性能**的材料，其孔径尺寸低于常压下空气分子平均自由程，因此在气凝胶孔隙中空气分子近似静止，从而避免了空气的对流传热，而气凝胶极低的体积密度及纳米网络结构的弯曲路径也组织了气态和固态热传导，趋于“无穷多”的孔隙壁可以使热辐射降至**。这三方面共同作用，几乎阻断了热传递的所有途径，是气凝胶达到其它材料无法比拟的绝热效果

气凝胶曾被誉为改变世界的新材料，在航空航天、国防等高技术领域及建筑、工业管道保温等民用领域都有极其广泛的应用前景。从结构上看，气凝胶是由零维的量子点、一维的纳米线或者二维的纳米片等低维纳米结构经三维组装而成的超轻多孔纳米材料。低维纳米结构的各种变量，如几何形状、尺寸、密度、表面形貌、化学属性等参数，都会对最终获得的气凝胶性能产生重要影响。迄今为止，已有多种低维纳米结构组装成功能各异的气凝胶，但这些纳米结构单元的尺寸均在100纳米以下，甚至仅仅为几个纳米。对于结构单元的尺寸大于100纳米（即亚微米级）的气凝胶的制备挑战巨大，这主要是由两方面原因造成的：一是气凝胶结构单元的尺寸越大，其比表面积越小（两者成反比关系）。对于亚微米级的结构单元，无论其为无机物（密度较高）还是有机物（密度较低），获得的气凝胶的比表面积都非常小，因而失去了气凝胶比表面积大这一优异特征；二是无论纳米级结构单元之间的连接是物理作用或者化学键合，随着结构单元尺寸的变大，连接处的原子占总原子数的比例会急剧降低，因而组装后的气凝胶材料会随着结构单元尺寸变大而急剧变脆。

 

　　针对这些挑战，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员张学同带领的气凝胶团队与英国伦敦大学学院教授宋文辉及中国科学技术大学教授闫立峰等合作，以平均直径达到220纳米的导电高分子（聚苯胺聚吡咯共聚物）空心球为前驱体，以氧化石墨烯为交联剂，先后通过溶胶-凝胶工艺、超临界流体萃取工艺、高温热处理工艺等关键步骤（图1），成功获得了一种新型的全碳气凝胶，即石墨烯交联的碳空心球气凝胶（图2）。交联剂石墨烯的存在，把球与球之间的点对点接触巧妙转化为点对面接触，因而提高了最终气凝胶的力学性能；空心球结构的使用，以及在亚微米级空心球壳层上造出的大量微孔，保证了获得的最终气凝胶具有大的比表面积；而前驱体导电高分子的选择，使得最终的全碳气凝胶实现了氮元素的掺杂。

 

　　研究获得的石墨烯交联的碳空心球气凝胶具有低密度（(51-67mg/cm3)、高导电性（263-695S/m）、高比表面积（569-609m2/g）、高杨氏模量（1.8MPa）等诸多优点，有望在能源（捕获、存储、转换）、传感、催化、吸附、分离、功能复合材料等领域得到广泛应用。例如，将石墨烯交联的碳空心球气凝胶作为电极材料应用在U-型热电化学池上，电池的输出功率高达1.05 W·m-2 (6.4 W·Kg-1)，其相对卡诺循环的能量转化效率高达1.4%，这些数值远高于目前同类型器件的数值。

 

　　该工作为大尺寸粒子组装成气凝胶提供了很好的设计思路，解决了由亚微米结构单元制备功能性气凝胶的技术难题。相关结果发表在Nano Energy (2017, 39, 470 - 477)上。中科院苏州纳米所硕士生董大鹏和郭海涛为该论文的共同第一作者。

 

该工作得到了国家自然科学基金（51572285,21373024）、科技部（2016YFA0203301）和中科院苏州纳米所的经费支持。

   盘锦辽滨汇洲热力有限公司位于盘锦辽滨经济开发区，是辽滨经济区唯一的供热企业，是当地的动力之源。盘锦辽滨汇洲热力冬季热源应急备用管线项目采用气凝胶复合玻璃棉方式进行施工。该项目总长度18km，管道内温度高达450℃，管道压力为50kg，是全国首条长距离次高压次高温保温管线。

 气凝胶成功应用到盘锦辽滨汇洲热力项目中，标志着在热电领域又迈出了坚实的一步。会将不断的开拓创新，为我们的客户提供专业的节能绝热解决方案。

气凝胶应用热力管网

  热力管网保温是节能减排的有效措施之一。我国城市集中供热中，由热源产生的热水、蒸汽通过管道输送到各个热用户构成了热网。供热管道在把热量从热源输送到各用户用热系统的过程中，由于管道内热媒的温度高于周围环境温度，供热管道沿途都有一定热损失，因此，保温工作对保证供热质量，节能减排都有很大意义。

   热力管网保温的目的是减少热媒在输送过程中的热量损失，节约能源，提高系统运行的经济性和安全性。保温层的作用是减少能量损失、节约能源，提高经济效益，保障介质的运行参数，满足用户生产生活要求。对于高温介质管道的保温层来说，还可降低保温层外表面温度，改善环境工作条件、避免烫伤事故发生。保温直埋管在国外一些发达国家已成为一项比较成熟的先进技术。近十几年，我国供热工程技术人员通过消化、吸收这项先进技术，正推动着国内管网敷设技术向更高的层次发展。

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