vật liệu vô cơ aerogel

Aerogel là một vật liệu siêu nhẹ, xốp tổng hợp có nguồn gốc từ gel, trong đó thành phần chất lỏng của gel đã được thay thế bằng khí mà không làm cấu trúc gel bị sụp đổ đáng kể 1. Kết quả là một chất rắn với mật độ, dẫn nhiệt, chỉ số khúc xạ, hằng số điện môi thấp hơn bất kỳ chất rắn nào và hấp thụ các sóng âm thanh giảm xuống còn 100 ms so với 332 ms đối với không khí. Aerogel đã trở thành một vật liệu của quan tâm đến các nhà khoa học trong những thập kỷ gần đây do tính độc đáo của nó các đặc tính vật lý mang lại cho nó tiềm năng cải thiện công nghệ trong nhiều lĩnh vực khác nhau như cách nhiệt, cách âm, hấp thụ động năng, điện tử, quang học, hóa học và y sinh học,… 2 3. Tuy nhiên, khi đưa vào thương mại hóa thì kết quả không được như mong đợi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN KHOA HÓA BÀI TIỂU LUẬN MÔN VẬT LIỆU VÔ CƠ CHỦ ĐỀ: VẬT LIỆU AEROGEL Giảng viên môn: TS TRẦN THỊ THU PHƯƠNG Học viên thực hiện: NGÔ VĂN NGỌC NGUYỄN THỊ LY NA ĐỒNG THANH HỊA Bình Định, 6/2021 MỤC LỤC MỞ ĐẦU NỘI DUNG GIỚI THIỆU 1.1 Lịch sử hình thành phát triển Aerogel 1.2 Một số vật liệu tổng hợp .9 TÍNH CHẤT 12 2.1 Thuộc tính 12 2.2 Cấu trúc 13 2.3 Độ xốp aerolgel 13 2.4 Khả dẫn nhiệt 14 2.5 Chống thấm .15 2.6 Tính chất quang học 15 2.7 Tính chất học 16 PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP 16 3.1 Gel hóa silicon Alkoxide 16 3.2 Sấy siêu tới hạn 19 ỨNG DỤNG 21 4.1 Cách nhiệt 21 4.2 Hấp phụ hóa học 22 4.3 Xúc tác mang chất xúc tác .22 4.4 Cách âm 22 4.4 Các ứng dụng du hành Silica Aerogel .23 HẠN CHẾ 24 KẾT LUẬN 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO 27 MỞ ĐẦU Aerogel vật liệu siêu nhẹ, xốp tổng hợp có nguồn gốc từ gel, thành phần chất lỏng gel thay khí mà khơng làm cấu trúc gel bị sụp đổ đáng kể [1] Kết chất rắn với mật độ, dẫn nhiệt, số khúc xạ, số điện môi thấp chất rắn hấp thụ sóng âm giảm xuống cịn 100 m/s so với 332 m/s khơng khí Aerogel trở thành vật liệu quan tâm đến nhà khoa học thập kỷ gần tính độc đáo đặc tính vật lý mang lại cho tiềm cải thiện công nghệ nhiều lĩnh vực khác cách nhiệt, cách âm, hấp thụ động năng, điện tử, quang học, hóa học y sinh học,… [2] [3] Tuy nhiên, đưa vào thương mại hóa kết khơng mong đợi Aerogel cịn gọi khói đơng lạnh, khói rắn, khơng khí rắn, đám mây rắn, khói xanh [4] Trong tin phát minh gần công nghệ nano đặc điểm cấu trúc nano Tuy nhiên thực tế, vật liệu nghiên cứu từ lâu Samuel Stephens Kistler thời điểm ơng Đại học Thái Bình Dương Stockton, CA, Hoa Kỳ Năm 1931, ông tạo vật liệu aerogel tự nhiên ơng mơ tả aerogel loại gel pha lỏng thay khí theo cách mà mạng lưới rắn giữ lại mà có chút không co lại gel [5] Sự thành cơng q trình dựa bước quan trọng làm nóng hệ thống gel nồi hấp nhiệt độ áp suất tới hạn pha lỏng gel, gọi làm khô siêu tới hạn Kết chất lỏng siêu tới hạn phép ngồi để lại vật liệu có độ xốp cao mật độ cực thấp Trong loại aerogel, silica aerogel, dạng cấu trúc nano xốp silica dioxit, thể đặc tính hấp dẫn độ dẫn nhiệt thấp (0,015 W/m.K), mật độ khối thấp (0,1 g/cm3), độ suốt quang học quang phổ nhìn thấy (99 %), diện tích bề mặt cao (1000 m2/g), số điện môi thấp (1,0-2,0), số khúc xạ thấp (1,05), vận tốc âm thấp (100 m/s) sợ nước [1] Tuy có tính chất tuyệt vời vậy, nhiên thực tế silica aerogel áp dụng cho động khoa học ngành hàng không vũ trụ NASA thực nhiều nhiệm vụ du hành vũ trụ cách sử dụng loại aerogel vật liệu cách nhiệt thu giữ hạt siêu tốc Bên cạnh đó, hàng khơng, dân dụng qn thị trường ngách đầy hứa hẹn NỘI DUNG GIỚI THIỆU 1.1 Lịch sử hình thành phát triển Aerogel Năm 1931, Steven Kistler cá cược với đồng nghiệp tạo gel chứa cấu trúc rắn có kích thước hình dạng gel Để làm điều này, anh bắt đầu với loại gel chiết xuất chất lỏng, để lại chất rắn tỷ trọng thấp phía sau Sử dụng nồi hấp để đẩy chất lỏng qua điểm tới hạn nó, chinh phục trở ngại sức căng bề mặt mà không xé toạc cấu trúc vững bên gel Cuộc cá cược thành công, loại aerogel Kistler chế tạo silica aerogel sử dụng natri silicat tiền chất silica Cùng với thời gian, ông tổng hợp aerogel hữu oxit kim loại từ alumina, oxit vonfram, oxit sắt, oxit thiếc, niken tartrat, xenluloza, nitrocellulose, gelatin, thạch, albumen trứng cao su Ông tiếp tục mở rộng nghiên cứu vào tính chất vật lý silica aerogel, nhấn mạnh vào cấu trúc, mật độ độ dẫn nhiệt cách thay đổi áp suất học nạp đầy khí khơng khí, carbon dioxit chlorofluorocarbon [6] Kết silica aerogel xác định chất rắn có độ dẫn nhiệt thấp áp suất khí Vào năm 1950, sáng chế Kistler cấp cho Tập đồn Monsanto để sản xuất quy mơ lớn silica aerogel cho ứng dụng chất làm đặc vật liệu cách nhiệt nhãn hiệu Santocel [7] Sau đó, ơng cấp sáng chế cho silica aerogel kỵ nước tạo cách silyl hóa với trichlorometylsilane để tạo chất chống thấm nước [2] Thật bất ngờ, dự án Masanto kết thúc, ngừng tất hoạt động sản xuất với đời quy trình silica bốc khói tương đối rẻ sử dụng tetrachloride vào năm 1960 Kể từ đó, khơng có hứng thú với aerogel liên quan đến việc tổng hợp aerogel với chi phí sản xuất cao Do đó, việc thương mại hóa bị tụt hậu thời gian dài năm 1968 nhóm nhà nghiên cứu Teichner Nicoloan đứng đầu Pháp cải tiến cách chuẩn bị đơn giản cách áp dụng hóa học sol-gel vào chế tạo silica aerogel, thay thủy tinh Kistler sử dụng tetrametyl orthosilicat (TMOS), alkoxysilan, sau loại bỏ điều kiện siêu tới hạn [2] Aerogel silica (SiO2), alumina (Al2O3), titania (TiO2), zirconia (ZrO2), magie oxit (MgO), kết hợp ZrO2-MgO, Al2O3-MgO, TiO2-MgO sản xuất Trong tổng hợp vật liệu đó, oxit aerogel quan sát thấy có giá trị cao đặc điểm kết cấu so với oxit thu thông qua phương pháp ban đầu Diện tích bề mặt lớn so với aerogel oxit tinh khiết tương ứng chúng [8] Thành tựu gây cách mạng giới khoa học công nghệ dẫn đến nghiên cứu chuyên sâu vật liệu nano Ứng dụng khoa học aerogel máy dò xạ Cherenkov, phát triển Cantin et al vào năm 1974 Sau đó, sản xuất hàng loạt bắt đầu vài mét khối gạch silica aerogel suốt nguyên khối sản xuất để trang bị cho máy dò TASSO Cherenkov Nhà máy sản xuất khối silica aerogel sử dụng TMOS thành lập Thụy Điển bị tàn phá vụ nổ rị rỉ nồi hấp có metanol vào năm 1984 Nhà máy xây dựng lại vận hành Airglass Corporation Vì tính độc hại nó, TMOS bắt buộc phải thay Chẳng bao lâu, Tewari Hunt Berkeley nhận thấy tetraetyl orthosilicat (TEOS) hóa chất an tồn mà không làm thay đổi chất lượng aerogel [9] Nhưng q trình chưa an tồn để sản xuất hàng loạt Hunt tiếp tục nghiên cứu để cải tiến đưa ý tưởng thay cồn gel carbon dioxit lỏng trước làm khơ siêu tới hạn CO dễ cháy cần nhiệt độ áp suất thấp để trở nên siêu tới hạn [10] Điều làm giảm rủi ro nguy hiểm tăng hiệu sử dụng lượng, dẫn đến chi phí sản xuất rẻ Đồng thời, BASF Đức tuyên bố phát triển lộ trình thay CO2 khác thông qua natri silicat Họ tiếp thị sản phẩm với tên gọi Basogel năm 1996 Năm 1987, đời phương pháp đo khối lượng heli để đo mật độ xương aerogel cung cấp liệu cho mật độ thay đổi theo nồng độ dung môi, pH xử lý nhiệt đậm đặc [11] Vào cuối năm 80, Pekala LLNL mở rộng loại aerogel cách phát triển aerogel hữu carbon từ polyme hữu cơ, resorcinolformaldehyde (RF) cách sử dụng phương pháp sol-gel [12] Tillotson Hrubesh phát triển nguyên khối silica aerogel lưỡng tính với mật độ thấp nhất, 0,003 g/cm có độ xốp lên đến 99,8% cách sử dụng quy trình axit-bazơ hai bước bao gồm việc thay rượu dung môi aprotic, cách chưng cất, gây tượng hồ hóa [13] Một phát triển quan trọng khác phương pháp làm khô tới hạn tạo để sản xuất silica aerogel mật độ thấp để cách nhiệt Phương pháp bao gồm loạt giai đoạn sửa đổi hóa học lỗ chân lơng lão hóa để ngăn chặn co rút mạnh gel trình làm khô nhanh áp suất môi trường Mật độ thay đổi khoảng 0,15 đến 0,3 g/cm3 với độ dẫn nhiệt 0,02 W/mK điều kiện khí Prakash cộng mở rộng phương pháp làm khô áp suất môi trường xung quanh (APD) để giảm chi phí sản xuất silica Một quy trình phủ nhúng đơn giản bao gồm sửa đổi bề mặt để tạo co ngót sấy đảo ngược sử dụng Tiền thân thủy tinh giá thành rẻ không cháy Kết aerogel quan sát có mật độ độ xốp so sánh cách sử dụng phương pháp làm khô siêu tới hạn Tuy nhiên, việc thay đổi lộ trình số phương pháp tiếp cận tốn nhiều thời gian phương pháp khác trình rửa trao đổi dung mơi kéo dài Tiếp theo chiết xuất siêu tới hạn nhanh (RSCE) làm tăng tốc độ đốt nóng siêu tới hạn Thực nghiệm John Poco LLNL vào năm 1996, điều tra bao gồm việc đặt sol-gel bên khn có áp suất điều kiện siêu tới hạn kiểm soát theo cách để tránh giãn nở khơng cần thiết nứt Sự tăng cường đáng kể bắt đầu diễn vào buổi bình minh thiên niên kỷ Vào năm 2001, phương pháp dễ dàng, rẻ tiền hiệu Gash Tillotson phát triển để điều chế aerogel oxit kim loại cách sử dụng chất gel hóa có pha tạp epoxit với điều kiện ion kim loại tương ứng phải có hóa trị lớn +3 q trình oxy hóa hình thành chúng tiểu bang Kết đầy hứa hẹn khối vật liệu vi xốp có diện tích bề mặt cao sản xuất Một năm sau, Leventis et al phát triển aerogel siêu nhẹ biến đổi học, gọi X-aerogel cách liên kết chéo diisocyanat thành cấu trúc vi mô silica aerogel Cường độ thép tăng gấp 300 lần cường độ nén cụ thể xấp xỉ mười lần cường độ thép Cơng việc ông mở rộng với hỗ trợ nhà nghiên cứu khác để điều tra liên kết ngang polyme với loại aerogel khác oxit kim loại chuyển tiếp chất hữu mở rộng ứng dụng aerogel X-aerogel thực thông qua việc bổ sung polyme làm lớp phủ bảo vệ khung silica Mặt khác, chất bán dẫn làm chalcogenide kim loại báo cáo vào năm 2005 Mohanan cộng Họ sử dụng phương pháp bao gồm kết hợp oxy hóa khối cấu tạo hạt nano chalcogenide kim loại kết hợp với trình sấy siêu tới hạn Chất bán dẫn thu có độ xốp diện tích bề mặt cao, đặc tính quang học giới hạn lượng tử đặc trưng giống với thành phần hạt nano chúng Năm phát minh bọt kim loại nano nguyên khối có mật độ cực thấp diện tích bề mặt cao 0,011 g/cm3 270 m2/g Các kim loại chọn sắt, coban, đồng bạc kim loại tiềm khác nghiên cứu Sau đó, aerogel ống nano carbon phát minh vào năm 2007 thông qua phương pháp tổng hợp bao gồm tiền chất gel nước, sau sấy siêu tới hạn sấy đơng lạnh Các ống nano chế tạo chắn cách pha tạp chất cồn polyvinyl cho phép chúng chống lại trọng lượng nặng 800 lần so với phiên ban đầu chúng Chúng chất dẫn nhiệt điện tuyệt vời Nộp hồ sơ vào năm 2004 cấp sáng chế vào năm 2007, Halimaton trình bày phương pháp để sản xuất silica aerogel tinh khiết thơng qua phương pháp sol-gel, sau làm khô carbon dioxit siêu tới hạn Tuy nhiên, cô sử dụng phế phẩm nông nghiệp, tro trấu (RHA), làm nguồn cung cấp silica Thuật ngữ thương mại Maerogel viết tắt “Aerogel Malaysia sản xuất” Kết cấu đặc tính vật lý chất sau chứng minh so sánh với silica aerogel truyền thống Maerogel sản xuất cách hòa tan tro trấu natri hydroxit nước với tỷ lệ Na2:SiO2 1:3,33, để tạo dung dịch natri silicat chứa từ đến 16% trọng lượng SiO2 Sau đó, axit sulfuric đậm đặc thêm vào dung dịch thủy tinh nước thu để chuyển natri silicat thành silica để thu silica hydrogel Tiếp theo q trình lão hóa tạo điều kiện cho cấu trúc gel phát triển Điều kéo dài đến bốn mươi ngày Sau đó, nước chuyển vị từ C đến C4 rượu, tốt metanol etanol để có loại rượu Loại thứ hai làm khô siêu tới hạn sau rượu thay carbon dioxit để thu aerogel Tốt nên thực chiết xuất siêu tới hạn cách đặt cồn chứa cồn bổ sung vào nồi hấp có gắn cặp nhiệt điện điều khiển nhiệt độ từ từ tăng nhiệt độ nồi hấp đạt nhiệt độ áp suất tới hạn Có thể tăng nhiệt độ, ví dụ, với tốc độ 50 °C/h, thời gian cần thiết để đạt đến nhiệt độ tới hạn Sau thời gian định, rượu ngồi qua lỗ rị có kiểm sốt cách giảm dần áp suất nhiệt độ theo điều kiện khí Nhiệt độ giảm khoảng thời gian, ví dụ, mười hai Lượng cồn bổ sung phải cho có đủ cồn nồi hấp để đạt áp suất tới hạn Các aerogel thu loại ưa nước, có nhóm hydroxyl bề mặt chúng chuyển sang dạng kỵ nước cách thay nhóm hydroxyl nhóm alkoxy Điều đạt được, ví dụ, cách cho metanol qua mẫu aerogel nung nóng Thuận lợi phản ứng metyl hóa thực hệ thống kín, mẫu đặt ống bao bọc lị nung bên ngồi kéo dài bình chứa metanol sơi bình ngưng, nối trở lại bình Nhiệt độ lị 250 °C Tốt mẫu khí nhiệt độ khoảng 100 °C áp suất giảm khoảng 10−5  kPa 15 trước sau q trình metyl hóa Năm 2009, aerogel kim loại chế tạo Leventis et al Nó loại aerogel sắt tạo cách nấu chảy trộn lẫn resorcinol-formaldehyde xerogel oxit sắt (aerogel làm khô môi trường xung quanh) Chúng vật liệu “sắt từ siêu thuận từ” giàu cacbon, đồng thời có từ tính kim loại Gần đây, loại aerogel polyme hóa cao cấp gọi polyimide aerogel thiết kế riêng Trung tâm Nghiên cứu Glenn NASA Ohio Gel polyimide sản xuất cách liên kết ngang oligome axit polyamic anhydrit có liên kết ngang với triamine thơm dung dịch cách nhúng hóa học Các gel sau làm khơ siêu tới hạn để tạo thành polyimide aerogel Những loại aerogel biến đổi có mật độ thấp tới 0,14 g/cm3 diện tích bề mặt cao tới 512 m2/g Độ bền học lớp aerogel cao gấp 500 lần so với silica truyền thống cung cấp cách nhiệt cách âm hàng loạt Tuy nhiên, độ dẫn nhiệt tăng lên theo yếu tố định chất nguyên khối [14] 1.2 Một số vật liệu tổng hợp 1.2.1 Silica Aerogel Silica aerogel loại aerogel phổ biến loại sử dụng nghiên cứu [6] Đó silica dựa bắt nguồn từ silica gel biến đổi trình Stober Hạt xốp nano silica mật độ thấp nặng 1000 g/m 3, phiên sơ tán aerogel kỷ lục 1900 g/m Mật độ khơng khí 1200 g/m (ở 20 °C atm) Vào năm 2013, aerographene có tỷ trọng thấp 160 g/m (bằng 13% tỷ trọng khơng khí nhiệt độ phịng) Silica aerogel chiếm 3% thể tích chất rắn độ dẫn điện qua chất rắn thấp 97% thể tích cịn lại bao gồm khơng khí lỗ nano cực nhỏ Khơng khí có chỗ để di chuyển, ức chế đối lưu dẫn pha khí Silica aerogel có độ truyền quang học cao ~ 99% số khúc xạ thấp ~ 1,05 Loại aerogel có đặc tính cách nhiệt đáng ý, có độ dẫn nhiệt cực thấp: từ 0,03 W/m.K áp suất khí xuống 0,004 W/m.K chân không, tương ứng với Giá trị R từ 14 đến 105 (hệ đo lường US) 3,0 đến 22,2 (hệ mét) cho độ dày 3,5 in (89 mm) Để so sánh, cách nhiệt tường điển hình 13 (hệ đo lường US) 2,7 (hệ mét) cho độ dày Điểm nóng chảy 1473 K (1200 °C; 2192 °F) [15] Cho đến năm 2011, silica aerogel giành 15 mục Kỷ lục Guinness Thế giới đặc tính vật liệu, bao gồm chất cách điện tốt chất rắn có mật độ thấp nhất, bị loại khỏi danh hiệu thứ hai vật liệu chí cịn nhẹ aerographite vào năm 2012 sau aerographene vào năm 2013 [16] 1.2.2 Carbon Carbon aerogel bao gồm hạt có kích thước phạm vi nanomet, liên kết cộng hóa trị với Chúng có độ xốp cao (trên 50%, với đường kính lỗ 100 nm) diện tích bề mặt dao động từ 400 đến 1000 m 2/g Chúng thường sản xuất dạng giấy tổng hợp: giấy không dệt làm từ sợi carbon, ngâm tẩm với resorcinol - formaldehyde aerogel, bị nhiệt phân Tùy thuộc vào mật độ, carbon aerogel dẫn điện, làm cho giấy aerogel composite hữu ích cho điện cực tụ điện điện cực khử ion Do diện tích bề mặt cực cao, khí carbon sử dụng để tạo siêu tụ điện, với giá trị lên tới hàng nghìn farad dựa mật độ điện dung 104 F/g 77 2.5 Chống thấm Hình 2: Thay nhóm OH nhóm OR kị nước Aerogel chứa hạt có đường kính 2–5 nm Sau q trình tạo aerogel chứa lượng lớn nhóm hydroxyl bề mặt Các nhóm hydroxyl gây phản ứng mạnh đặt aerogel nước nước khơng khí, khiến hịa tan nước cách nhanh chóng Một cách đưa để giúp aerogel chống thấm ngâm aerogel với số sở hóa học thay nhóm hydroxyl bề mặt (–OH) nhóm khơng phân cực metoxyl (–OR) đạt hiệu R nhóm no [23] 2.6 Tính chất quang học Sự xuất suốt mờ aerogel chủ yếu tán xạ Raleigh, xảy không đồng mạng lưới gel rắn nhỏ nhiều so với bước sóng ánh sáng nhìn thấy Lượng ánh sáng phân tán từ aerogel phụ thuộc vào tính khơng đồng cấu trúc này, kiểm sốt q trình chiết xuất siêu tới hạn, điều định xếp không gian mạng gel Do đó, dự đốn chiết suất silica aerogel gần một, nghĩa ánh sáng vào aerogel không bị phản xạ Một ứng dụng thực tế khai thác đặc tính máy dị Cherenkov u cầu mơi trường có chiết suất gần [14] 2.7 Tính chất học Silica aerogel biết đến đặc trưng mỏng manh dễ gãy kết nối hạt mạng lưới fractal giống chuỗi hạt ngọc trai, khiến chúng khơng thích hợp cho ứng dụng chịu tải Một cách tiếp cận kết hợp sợi silica vào aerogel Các thử nghiệm 10% trọng lượng sợi đưa vào, mô đun đàn hồi độ bền tăng lên 85% 26% Ngoài ra, mơ đun nén độ bền kéo aerogel cải thiện tương ứng ba năm lần, 5% trọng lượng sợi nano cacbon đưa vào cấu trúc mạng Liên kết ngang pha lỏng, liên kết ngang pha hơi, tăng cường sợi liên kết giảm nâng cao tính chất học aerogel Mặc dù sức mạnh chúng vượt trội silica aerogel, đặc tính đàn hồi linh hoạt chúng chưa điều chỉnh cho ứng dụng hàng không vũ trụ tiên tiến thành phần cấu trúc bảo vệ nhiệt cho vệ tinh nhỏ, tàu vũ trụ, phương tiện hành tinh môi trường sống [14] PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP Aerogel tổng hợp lần đầu loại gel silica (SiO 2) Mặc dù aerogel tạo với alumin, chromia, oxit thiếc, carbon vật liệu khác, nhiên silica dễ dàng đáng tin cậy để sản xuất Các gel silica có chất phần chất lỏng chiếm khoảng 99%, chứa ma trận tạo chất lỏng sức căng bề mặt Trong silica gel, mạng lưới phân tử tạo thành từ đuôi gai silica Bước việc chế tạo aerogel tạo gọi "Gel ướt." 3.1 Gel hóa silicon Alkoxide 3.1.1 Sự hình thành Sol Ba phản ứng xảy alkoxit phản ứng với nước, dẫn đến hình thành hạt nano silica (những hạt sau liên kết với để tạo thành gel) Phản ứng phản ứng thủy phân, alkoxit silic phản ứng với nước để tạo thành nhóm silanol (Si-OH) Sau đó, nhóm silanol phản ứng với với nhóm alkoxit (Si-OR) để tạo thành cầu siloxan (Si-O-Si), dẫn đến việc nối hai phân tử thành phân tử lớn Mỗi nguyên tử silicon hình thành tối đa bốn cầu siloxan, cho phép nhiều phân tử nhỏ kết nối với thành phân tử khổng lồ chứa hàng nghìn cầu silicon-oxy Những tập hợp lớn cầu silicon oxy gọi hạt nano silica có đường kính ngang khoảng vài nanomet Nói chung, thành phần hạt nano biểu thị cơng thức thực nghiệm SiO2, xác cơng thức polyme (SiO 4)n (trong ngun tử silic gắn liên kết đơn với bốn oxy mà cầu nối với nguyên tử silic) Tuy nhiên, q trình hình thành hạt nano silica, khơng phải nguyên tử silicon kết thúc tạo thành bốn cầu siloxan thay vào đó, bám vào nhiều nhóm hydroxyl (-OH) alkoxy (-OR) (mà lẽ sử dụng để hình thành liên kết siloxan) Chúng gọi "nhóm đầu cuối", bao phủ bề mặt hạt nano Hình 3: Cấu trúc “TMOS” Hiện tại, cách tốt để tạo gel ướt bắt đầu tiền chất silicon alkolyde, chẳng hạn TMOS sử dụng đóng vai trị nguồn cung cấp silica, nước hoạt động chất phản ứng để giúp liên kết phân tử alkoxit với nhau, chất xúc tác (như amoni hydroxit amoni florua) giúp phản ứng hóa học diễn đủ nhanh để có ích thực tế Bởi alkoxit silic thường chất lỏng không phân cực, nhiên, chúng trộn lẫn với nước Kết là, dung mơi etanol axeton, trộn lẫn với silic alkoxit nước, thêm vào để đưa thứ vào pha để phản ứng hóa học cần thiết xảy Nói chung, loại hóa học thực nhiệt độ áp suất môi trường đơn giản cách trộn tỷ lệ xác hóa chất với - chất lỏng vào, gel ngồi! Tất nhiên, tồn quy trình khác phức tạp hơn, quy trình có lợi riêng Dưới phần trình bày xảy cấp độ phân tử alkoxit silic phản ứng với nước để tạo thành gel silica Si(OCH2CH3)4 (liq.) + 2H2O (liq.) � SiO2 (rắn) + 4HOCH2CH3 (liq.) Hình 4: Phản ứng Sol – Gel với Silicon Alkoxit 3.1.2 Hình thành gel từ Sol Tại thời điểm đó, hạt nano đạt đến kích thước tới hạn nơi chúng ngừng phát triển kích thước thay vào kết tụ với hạt nano khác Điều phụ thuộc vào số yếu tố, chẳng hạn độ pH nồng độ loài khác dung dịch Khi đủ hạt nano liên kết với để tạo thành mạng lưới liên tục kéo dài dung dịch lỏng, loại gel hình thành Thơng thường, gel đặt tên đặc biệt tùy thuộc vào dung dịch lỏng chứa lỗ chân lơng chúng Vì loại rượu (chẳng hạn metanol etanol) thường sử dụng để sản xuất gel silica, nên thuật ngữ “silica alcoholgel” thường sử dụng Mặt khác, “hydrogel” chứa nước lỗ chân lơng Tùy thuộc vào hóa học dung dịch phản ứng, trình gel hóa xảy sau tạo sol, cần thêm chất xúc tác, nước, nhiệt độ thời gian để xảy Cũng việc bổ sung thứ làm cho hạt nano kết tủa tạo thành màu trắng đục thay dạng gel Kết là, hóa học hệ thống nhạy cảm Xuyên suốt aerogel đặc biệt, bề mặt chống tạo nên khung giống miếng bọt biển aerogel, nhóm chức nguyên tử silicon không chia sẻ cầu siloxan với nguyên tử silicon khác (nghĩa bốn liên kết khơng tham gia vào liên kết mạng) Phần lớn nhóm chức nhóm hydroxyl (-OH) cịn sót lại sau q trình thủy phân alkoxit, nhóm alkoxy khơng bị thủy phân cải tạo sau thủy phân (-OR, chẳng hạn metoxy) * Mặt hạn chế phương pháp Alkoxide Mặc dù tính chất hóa học q trình gel hóa silicon alkoxide đơn giản tao nhã từ góc độ hóa học, alkoxide có nhược điểm chúng Thứ nhất, alkoxit silic alkoxit kim loại nguy hiểm hít phải chúng gây thủy phân hình thành hạt nano xảy mô ướt phổi màng mũi Thứ hai, alkoxit có xu hướng đắt tiền chúng địi hỏi số bước hóa học để điều chế Trong trường hợp alkoxit silic, tetraethoxysilan thường ưa chuộng tetramethoxysilan rẻ khoảng bốn lần (30 USD / lit so với 120 USD / lit) phản ứng hơn, nguy hiểm (nhưng nên sử dụng nắp thông hơi) 3.2 Sấy siêu tới hạn Quá trình cuối quan trọng trình sản xuất silica aerogel làm khô siêu tới hạn Đây nơi chất lỏng bên gel bị loại bỏ, để lại mạng silica liên kết Gel chất lỏng phép bay với tốc độ tự nhiên gọi xerogel Khi chất lỏng bay hơi, lực gây sức căng bề mặt giao diện lỏng-rắn đủ để phá hủy mạng lưới gel mỏng manh Kết là, xerogel đạt độ xốp cao thay vào đạt đỉnh độ xốp thấp thể lượng lớn co ngót sau sấy [24] Để tránh cấu trúc bị xẹp q trình bay dung mơi chậm giảm sức căng bề mặt bề mặt phân cách lỏng-rắn, aerogel hình thành cách đơng khơ (bảo quản khô lạnh) Năm 1931, để phát triển aerogel đầu tiên, Kistler sử dụng quy trình gọi sấy siêu tới hạn để tránh thay đổi pha trực tiếp [6] Bằng cách tăng nhiệt độ áp suất, ông buộc chất lỏng chuyển sang trạng thái chất lỏng siêu tới hạn, cách giảm áp suất, ơng hóa khí loại bỏ chất lỏng bên aerogel, tránh làm hỏng mạng lưới ba chiều mỏng manh Trong điều thực với ethanol, nhiệt độ áp suất cao dẫn đến điều kiện chế biến nguy hiểm Một phương pháp an toàn hơn, nhiệt độ áp suất thấp liên quan đến việc trao đổi dung môi Điều thường thực cách trao đổi chất lỏng lỗ xốp ban đầu lấy chất lỏng có CO2 etanol axeton sau đưa carbon dioxit lên điểm tới hạn Một biến thể q trình bao gồm việc phun trực tiếp carbon dioxit siêu tới hạn vào bình áp suất có chứa aerogel Kết cuối hai trình trao đổi chất lỏng ban đầu từ gel với carbon dioxit, mà không cho phép cấu trúc gel bị sụp đổ thể tích [25] Trong năm đầu, việc chế tạo aerogel có nghĩa gửi rượu đến áp suất nhiệt độ dễ bay để để đạt đến điểm siêu tới hạn cho phép chiết xuất siêu tới hạn gel Sau đó, vào năm 1980, quan tâm gia hạn nhà khoa học người Pháp, cố gắng cải thiện quy trình chế tạo cho phủ Pháp, phát triển quy trình sử dụng vật liệu độc hại Anh ta chuyển từ rượu metylic tetrametyl Ortho Silicate (TMOS) sang ghép đôi rượu etylic Tetra Etylic để an toàn Ortho Silicate (TEOS) Bước đột phá đầu năm 1990 carbon dioxit lỏng thay etyl cồn tham gia vào gel trước lấy mẫu thơng qua q trình siêu tới hạn Điều cho phép nhà khoa học bỏ qua áp suất nhiệt độ nguy hiểm cần thiết để đưa etanol nguyên chất vượt qua điểm siêu tới hạn Chất lỏng carbon dioxit có yêu cầu tương đối bình thường 305 K 1050 psi đưa đến điểm siêu tới hạn Để có mật độ thấp kỵ nước nhiệt thấp aerogel dẫn để cách nhiệt chất lỏng mục đích hình thành đá cẩm thạch, thơng số sol-gel khác nhau, thông số xử lý cụ thể rửa, lắc, dung môi, chất tạo keo phương pháp làm khô đa dạng với việc pha tạp gel với bột TiO2 ỨNG DỤNG 4.1 Cách nhiệt Aerogel thêm dạng hạt vào cửa sổ trần cho mục đích Dự án Ngơi nhà Decathlon lượng mặt trời năm 2007 Viện Công nghệ Georgia sử dụng aerogel làm chất cách điện mái nhà bán suốt [26] Hình 5: Một aerogel giữ bút chì màu, với lửa thắp sáng bên dưới, thể khả cách nhiệt tuyệt vời Nhiệt độ khắc nghiệt Hỏa, dao động từ -220 °F (-140 °C) đến 70 °F (+20 °C), dẫn đến số chênh lệch nhiệt độ nghiêm trọng ứng suất nhiệt gây thiết bị điện tử nhạy cảm Một phần nhờ vào khả cách điện ấn tượng silica aerogel, thiết bị điện tử tàu thăm dị Hỏa sinh đơi, Spirit Opportunity, quản lý tốt Hành tinh Đỏ hoạt động tốt mong đợi thiết kế chúng Các Hải quân Mỹ đánh giá sử dụng aerogel đồ lót bảo vệ nhiệt thụ động cho thợ lặn Tương tự, aerogel NASA sử dụng để cách nhiệt cho quần áo vũ trụ CamelBak sử dụng aerogel làm vật liệu cách nhiệt chai thể thao nhiệt Resorcinol - formaldehyde aerogel (polyme tương tự mặt hóa học với nhựa phenol formaldehyde) sử dụng làm tiền chất để sản xuất aerogel carbon, cần chất cách điện hữu có bề mặt lớn 4.2 Hấp phụ hóa học Hình 6: Hút dầu aerogel Để làm chất tràn silica aerogel sử dụng để lọc; Chúng có diện tích bề mặt cao, độ xốp kỵ nước Chúng sử dụng để loại bỏ kim loại nặng Điều áp dụng để xử lý nước thải Trong lọc nước, chalcogel cho thấy nhiều hứa hẹn việc hấp thụ chất ô nhiễm kim loại nặng thủy ngân, chì cadmium từ nước Aerogel sử dụng để tách dầu khỏi nước, chẳng hạn sử dụng để ứng phó với cố tràn dầu Aerogel sử dụng để khử trùng nước, diệt vi khuẩn Là thành phần chất hấp thụ lượng 4.3 Xúc tác mang chất xúc tác Các hợp chất nano metal-aerogel điều chế cách ngâm tẩm hydrogel với dung dịch có chứa ion kim loại chuyển tiếp chiếu tia gamma vào kết quả, làm kết tủa hạt nano kim loại Những vật liệu tổng hợp sử dụng làm chất xúc tác, cảm biến, che chắn điện từ xử lý chất thải Một ứng dụng tiềm chất xúc tác bạch kim carbon pin nhiên liệu 4.4 Cách âm Sóng âm bị hấp thụ đáng kể qua silica aerogel làm giảm tốc độ lan truyền xuống 100 m/s Điều modun Young cực thấp chúng có liên quan đến tổng hợp aerogel, xác loại khí xen kẽ, áp suất mật độ Silica aerogel công nhận vật liệu đầy hứa hẹn cho lớp kết hợp âm đầu dị siêu âm khơng khí có độ nhạy cao để tăng cường sóng âm khơng khí Các thí nghiệm thực cách sử dụng mật độ sol-gel khác aerogel để quan sát ảnh hưởng tốc độ âm qua aerogel Silica aerogel sử dụng để cách âm, chẳng hạn cửa sổ cho mục đích xây dựng Silica aerogel sử dụng thiết bị hình ảnh, quang học dẫn hướng ánh sáng 4.4 Các ứng dụng du hành Silica Aerogel 4.4.1 Cách nhiệt tàu thám hiểm Hỏa Nhiệt độ khắc nghiệt Hỏa, dao động từ -220 °F (-140 °C) đến 70 °F (+20 °C), dẫn đến số chênh lệch nhiệt độ nghiêm trọng ứng suất nhiệt gây thiết bị điện tử nhạy cảm Một phần nhờ vào khả cách điện ấn tượng silica aerogel, thiết bị điện tử tàu thăm dị Hỏa sinh đơi, Spirit Opportunity, quản lý tốt Hành tinh Đỏ hoạt động tốt mong đợi thiết kế chúng 4.4.2 Chụp hạt siêu tốc Hình 7: Các dấu vết bụi vũ trụ từ chổi bị kẹt khối aerogel từ "Stardust" Silica aerogel sử dụng để bắt bụi vũ trụ, gọi bụi không gian NASA sử dụng aerogel để bẫy hạt bụi không gian tàu vũ trụ Stardust Các máy hút bụi aerogel có khối lượng thấp Các hạt bốc va chạm với chất rắn qua chất khí, bị giữ lại aerogel 4.4.3 Ngăn chứa chất lỏng đông lạnh Một vai trò silica aerogel hoạt động ngăn chất lỏng đông lạnh Ý tưởng đề xuất vào năm 2004 kỹ sư thực nhiệm vụ Kiểm tra vệ tinh Nguyên tắc Tương đương (STEP) Vệ tinh gửi vào quỹ đạo trái đất để thăm dò tảng lý thuyết Einstein, tương đương (cục bộ) khối lượng hấp dẫn quán tính Khối lượng thử nghiệm máy dò yêu cầu để trì ổn định khỏi nhiễu động lực cản khơng khí, từ trường áp suất mặt trời để có kết xác Điều đạt cách đặt dụng cụ đo lường Dewar có chứa helium lỏng trì nhiệt độ đơng lạnh Silica aerogel, có độ xốp cao vật liệu không gian mở, công nhận vật chứa tuyệt vời để lưu trữ helium lỏng đồng thời ngăn chặn dịng chảy lớn xảy Heli lỏng khỏi aerogel hướng đến máy đẩy tàu vũ trụ thời gian thực sứ mệnh Một thủy triều điều khiển aerogel xây dựng cho hệ thống lưu trữ heli Đầu tiên aerogel tạo hình hình trụ hình khuyên bao bọc xung quanh hình trụ bên thiết bị Sau đó, người ta đề nghị tạo hình aerogel thành nhiều phần, thành hình thang, khơng phải hình trụ hình khuyên để tạo điều kiện lắp ráp thành cấu trúc mong muốn Sự diện aerogel Dewar làm nảy sinh số nghi ngờ Một số liệu aerogel chứa đầy helium lỏng có tồn mơi trường rung động phóng hay khơng Một kiểm tra thực cho thấy khơng có dấu hiệu hư hỏng xuống cấp Mặc dù vậy, nhiệm vụ STEP không đưa ra; thay vào NASA chọn SMEX 2003 Tuy nhiên, công nghệ áp dụng thành công sứ mệnh Gravity Probe B Tuy nhiên, có viễn cảnh lạc quan việc đưa aerogel vào STEP ngày HẠN CHẾ Chi phí sản xuất aerogel cao không đủ khả chi trả cho sản xuất quy mơ nhỏ Aerogel mềm nhẹ nên tính chất học Aerogel điều chế từ Hóa chất nên ảnh hưởng đến Sức khỏe q trình sản xuất Aerogel vật liệu mềm nên khó để mở rộng tổng hợp thành lớn Silica aerogel bị phá hủy tiếp xúc với chất lỏng Khi vật liệu bắt giữ hạt có vận tốc siêu tốc lan truyền vết nứt nó, cuối phá hủy tồn mạng aerogel tiếp xúc thời gian dài Sự tiếp tục phản ứng thủy phân phản ứng ngưng tụ sau tạo gel, dẫn đến co rút gel, aerogel co ngót tuyến tính 10% gây q trình đồng hóa q trình gel hóa lão hóa Các aerogel dựa silica biết đến chất không gây ung thư Tuy nhiên, chúng chất gây kích ứng học mắt, da, đường hô hấp hệ tiêu hóa Chúng gây khơ da, mắt niêm mạc [17] KẾT LUẬN Dựa tài liệu trên, aerogel lĩnh hội cộng đồng nghiên cứu sau tám mươi năm nỗ lực to lớn Các phương pháp sản xuất hiệu chi phí khác phát triển thời gian để thúc đẩy thương mại hóa silica aerogel lĩnh vực công nghệ cao khác Như vậy, Aerogel vật liệu dùng để thay vật liệu rắn thường dùng Một nửa rắn Aerogel sử dụng ứng dụng Hàng không vũ trụ để giảm tốc độ truyền nhiệt đồng thời giảm nhiệt Với việc gia cố polyme, đặc tính học silica aerogel điều chỉnh để đáp ứng thông số kỹ thuật ứng dụng du hành vũ trụ tương lai Thông thường trường hợp vậy, thành cơng nhiệm vụ có ý nghĩa ngân sách Tuy nhiên, ứng dụng hàng không, việc giới thiệu silica aerogel nhiều vấn đề dựa chi phí sản xuất thị trường hiệu suất vật liệu có TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] C L Davidson, D J Heldebrant, M D Bearden, J A Horner, and C J Freeman, “Enabling CCS via Low-temperature Geothermal Energy Integration for Fossilfired Power Generation,” Energy Procedia, vol 114, pp 6448–6454, 2017, doi: 10.1016/j.egypro.2017.03.1781 [2] N Bheekhun, A Rahim, A Talib, and M R Hassan, “Aerogels in Aerospace: A Review,” Adv Mater Sci Eng., vol 2013, pp 1–18, 2013 [3] J Fricke and T Tillotson, “Aerogels: Production, characterization, and applications,” Thin Solid Films, vol 297, no 1–2, pp 212–223, 1997, doi: 10.1016/S0040-6090(96)09441-2 [4] S G Sagar and C L Babasaheb, “A Review on Aerogel An Introduction,” Int Res J Eng Technol., vol 5, no 3, pp 4098–4101, 2018, [Online] Available: www.irjet.net [5] A C Pierre, “Aerogel Catalysts,” Adv Sci Technol., vol 65, pp 174–183, 2010, doi: 10.4028/www.scientific.net/ast.65.174 [6] S S Kistler, “Coherent expanded aerogels,” J Phys Chem., vol 36, no 1, pp 52– 64, 1932, doi: 10.1021/j150331a003 [7] P C Thapliyal and K Singh, “Aerogels as Promising Thermal Insulating Materials: An Overview,” J Mater., vol 2014, pp 1–10, 2014, doi: 10.1155/2014/127049 [8] S J Teichner, G A Nicolaon, M A Vicarini, and G E E Gardes, “Inorganic oxide aerogels,” Adv Colloid Interface Sci., vol 5, no 3, pp 245–273, 1976, doi: 10.1016/0001-8686(76)80004-8 [9] United States Patent, “Process for forming transparent aerogel insulating arrays.” 2000, [Online] Available: https://patents.google.com/patent/US4830832A/en [10] “Ambient-temperature supercritical drying of transparent silica aerogels.” [Online] Available: https://appliedenergyscience.lbl.gov/publications/ambient-temperaturesupercritical [11] T Woignier et al., “Fractal structure in silica and composites aerogels,” Gels, vol 7, no 1, pp 1–16, 2021, doi: 10.3390/gels7010001 [12] “the lightest bakelite and beyond.” [Online] Available: https://link.springer.com/article/10.1007/s10853-020-05038-y [13] “Transparent ultralow-density silica aerogels prepared by a two-step sol-gel process.” [Online] Available: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0022309305804272 [14] S Dervin and S C Pillai, “An Introduction to Sol-Gel Processing for Aerogels,” no February, pp 1–22, 2017, doi: 10.1007/978-3-319-50144-4_1 [15] “Aerogel.wikipedia.org.” [Online] Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Aerogel [16] “Graphene Aerogel: Introduction and Market News.” [Online] Available: https://www.graphene-info.com/graphene-aerogel [17] “Index @ Www.Aerogel.Org.” [Online] Available: http://www.aerogel.org/?p=44 [18] P Passaretti et al., “Multifunctional graphene oxide-bacteriophage based porous three-dimensional micro-nanocomposites,” Nanoscale, vol 11, no 28, pp 13318– 13329, 2019, doi: 10.1039/c9nr03670a [19] “7bf5a7c9795398e9a1309b987604a60b3536db01 @ www.scientificamerican.com.” [Online] Available: https://www.scientificamerican.com/article/heavy-metal-filter-made-largely-fromair/ [20] H Yu, R Bellair, R M Kannan, and S L Brock, “Engineering strength, porosity, and emission intensity of nanostructured CdSe networks by altering the buildingblock shape,” J Am Chem Soc., vol 130, no 15, pp 5054–5055, 2008, doi: 10.1021/ja801212e [21] “preview.pdf.” [22] A Berge and P Ä R Johansson, “Literature Review of High Performance Thermal Insulation,” 2012 [23] “Index @ Www.Aerogel.Org.” [Online] Available: http://www.aerogel.org/?p=16 [24] “Journal_of_the_American_Ceramic_Society @ en.wikipedia.org.” [Online] Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Journal_of_the_American_Ceramic_Society [25] “sa-making @ web.archive.org.” [Online] Available: https://web.archive.org/web/20090514144121/http://eetd.lbl.gov/ecs/aerogels/samaking.html [26] “light_roof @ web.archive.org.” [Online] Available: https://web.archive.org/web/20080216122656/http://solar.gatech.edu/light_roof.php ... thúc đẩy thương mại hóa silica aerogel lĩnh vực cơng nghệ cao khác Như vậy, Aerogel vật liệu dùng để thay vật liệu rắn thường dùng Một nửa rắn Aerogel sử dụng ứng dụng Hàng không vũ trụ để giảm... quy mô nhỏ Aerogel mềm nhẹ nên tính chất học Aerogel điều chế từ Hóa chất nên ảnh hưởng đến Sức khỏe trình sản xuất Aerogel vật liệu mềm nên khó để mở rộng tổng hợp thành lớn Silica aerogel bị... tiền chất cho vật liệu khác Aerogel làm oxit nhôm gọi aerogel alumin Những aerogel sử dụng làm chất xúc tác, đặc biệt "pha tạp chất" với kim loại khác ngồi nhơm Nickel – alumina aerogel kết hợp