氣凝膠是一種非凡的材料，曾多次創(chuàng)造吉尼斯世界紀(jì)錄，包括作為世界上最輕的固體。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院多功能材料實驗室的MarkusNiederberger教授研究這些特殊材料已有一段時間了。他的實驗室專門研究由晶體半導(dǎo)體納米粒子組成的氣凝膠。“我們是世界上唯一一家能夠以如此高的質(zhì)量生產(chǎn)這種氣凝膠的集團(tuán)，”他說。

基于納米粒子的氣凝膠的一種用途是作為光催化劑。每當(dāng)需要在陽光的幫助下啟用或加速化學(xué)反應(yīng)時，就會使用它們——一個例子是氫氣的生產(chǎn)。

光催化劑的首選材料是二氧化鈦(TiO2)，一種半導(dǎo)體。但TiO2有一個主要缺點(diǎn)：它只能吸收太陽光中的紫外線部分——只有光譜的5%左右。如果光催化要高效并在工業(yè)上有用，催化劑必須能夠利用更寬的波長范圍。

用氮摻雜拓寬光譜

這就是為什么Niederberger的博士生JunggouKwon一直在尋找一種新方法來優(yōu)化由TiO2納米粒子制成的氣凝膠。她有一個絕妙的主意：如果將TiO2納米粒子氣凝膠“摻雜”(使用技術(shù)術(shù)語)氮，這樣材料中的單個氧原子就會被氮原子取代，然后氣凝膠就可以吸收更多可見的部分頻譜。摻雜過程使氣凝膠的多孔結(jié)構(gòu)完好無損。關(guān)于這種方法的研究最近發(fā)表在《應(yīng)用材料與界面》雜志上。

Kwon首先使用TiO2納米顆粒和少量貴金屬鈀生產(chǎn)氣凝膠，鈀在光催化制氫中起關(guān)鍵作用。然后她將氣凝膠放入反應(yīng)器中并注入氨氣。這導(dǎo)致單個氮原子嵌入到TiO2納米顆粒的晶體結(jié)構(gòu)中。

改性氣凝膠使反應(yīng)更高效

為了測試以這種方式修飾的氣凝膠是否真的提高了所需化學(xué)反應(yīng)的效率——在這種情況下，是用甲醇和水生產(chǎn)氫氣——權(quán)開發(fā)了一種特殊的反應(yīng)器，她直接將氣凝膠整體放入其中。然后，她將水和甲醇的蒸汽引入反應(yīng)器中的氣凝膠，然后用兩個LED燈照射它。氣態(tài)混合物通過氣凝膠的孔擴(kuò)散，在那里它在TiO2和鈀納米粒子的表面轉(zhuǎn)化為所需的氫。

五天后，Kwon停止了實驗，但直到那時，反應(yīng)穩(wěn)定并在測試系統(tǒng)中連續(xù)進(jìn)行。“這個過程可能會穩(wěn)定更長時間，”Niederberger說。“特別是在工業(yè)應(yīng)用方面，盡可能長時間保持穩(wěn)定很重要。”研究人員也對反應(yīng)的結(jié)果感到滿意。添加貴金屬鈀顯著提高了轉(zhuǎn)化效率：使用含鈀的氣凝膠產(chǎn)生的氫氣比不使用鈀的氣凝膠多70倍。

增加氣體流量

該實驗主要為研究人員提供可行性研究。作為一類新型光催化劑，氣凝膠提供了特殊的三維結(jié)構(gòu)，并為除產(chǎn)氫之外的許多其他有趣的氣相反應(yīng)提供了潛力。與當(dāng)今常用的電解相比，光催化劑的優(yōu)勢在于它們可以僅使用光而不是電來生產(chǎn)氫氣。

Niederberger團(tuán)隊開發(fā)的氣凝膠是否會被大規(guī)模使用仍然不確定。例如，仍然存在如何加速通過氣凝膠的氣體流動的問題;此刻，極小的氣孔對氣流的阻礙太大了。“要在工業(yè)規(guī)模上運(yùn)行這樣的系統(tǒng)，我們首先必須增加氣流并改善氣凝膠的輻照，”Niederberger說。他和他的團(tuán)隊已經(jīng)在研究這些問題。

氣凝膠是特殊材料。它們非常輕且多孔，并擁有巨大的表面積：一克材料的表面積可達(dá)1,200平方米。由于它們的透明度，氣凝膠具有“冷凍煙霧”的外觀。它們是優(yōu)良的隔熱材料，因此用于航空航天應(yīng)用，并且越來越多地用于建筑物的隔熱。然而，它們的制造仍然需要大量的能源，因此材料價格昂貴。1931年，化學(xué)家塞繆爾·奇斯特勒(SamuelKistler)用二氧化硅生產(chǎn)了第一個氣凝膠。