王成海 崔雅楠 李淑敏
1 前言
气凝胶是一种密度极小的纳米多孔材料，经过近几十年的不断发展，目前已制备出硅类、碳类、金属氧化物类等不同类别的产品。气凝胶作为一种新型纳米多孔材料，其骨架由纳米级固体颗粒组成，大量的不规则纳米孔环绕在骨架的周围形成立体网络结构。气凝胶的独特结构赋予其低密度、高比表面积、大孔容（孔体积）和低导热系数等显著特性，使其在隔热保温、吸附、催化剂载体等方面应用均有优异表现，可广泛用于航空航天、管道保温、绿色建材及空气净化等领域[1-3]。
气凝胶的高孔隙率和介孔尺寸可提供良好的气体吸附通道，并可通过毛细管凝聚作用固着被吸附的气体分子，气凝胶的高比表面积可以加大气-固接触面积和接触机率，从吸附动力学方面为气体吸附提供保障。此外，气凝胶的纳米活性也为气体吸附提供了大量活性位点，大大提高吸附效率。总之，气凝胶是一种性能优良的气体吸附材料[4，5]，可用于空气净化或工业烟气处理，在各类建筑物室内、车内气态污染物去除方面具有良好的应用前景。
此外，通过将气凝胶与各类高效催化剂或光触媒材料进行复合改性，制备具有对各种气态污染物，尤其是甲醛具有高效吸附和分解能力的新型气凝胶复合材料[6，7]。气凝胶基催化剂可通过吸附及催化降解功能去除室内挥发性有机物（VOCs）、甲醛等气体污染物，并将甲醛分解成对人体无害的水和二氧化碳。气凝胶空气净化复合材料可广泛用于制备空气净化器滤料、空气净化涂料、汽车空气过滤材料及其他空气净化材料，在空气净化领域具有广阔的应用前景。
2 气凝胶在室内空气净化中的应用
2.1 气凝胶空气净化吸附材料
随着经济的发展和人们生活需求的不断增多，环境污染已成为最受关注的社会问题，因空气污染导致的各类疾病逐年增多，大量有害物质进入水体、大气和土壤，对人们身体健康造成威胁。吸附法是最常用的气体污染物处理方法，采用吸附法处理环境或空气中的气态污染物，可减少对化学药品的使用，符合循环经济及绿色发展的要求。
气凝胶纳米介孔材料因具有较高的比表面积、优异的气/液吸附性能、良好的循环稳定性及环境友好等特点，被认为是良好的环境污染物治理材料。气凝胶产品独特的孔隙结构和高比表面积，使其在空气净化领域展现出良好的应用前景[8]。
Wang课题组[9]考察了二氧化硅（SiO2）气凝胶对6种挥发性有机物的吸附能力。研究发现，在气相条件下，气凝胶的热导率对吸附效率和吸附速度有较大影响，其对气态污染物的吸附量远高于活性炭。Cui等[10]制备了一种氨基修饰SiO2气凝胶，研究其对二氧化碳（CO2）气体的吸附效果。研究表明，在25℃条件下，产品对CO2气体吸附量可达6.97mmol/g。Ulker等[11]合成了具有規整结构的S i O2复合气凝胶材料，结果表明，通过制备工艺的调控，复合气凝胶的比表面积从1 025m2/g增加到1 138m2/g，该复合材料孔隙率高，孔隙结构发达，在气体吸附方面展现了良好的性能。
中国兵器工业集团公司内蒙古金属材料研究所采用溶胶—凝胶酸碱二步催化法，常压下干燥制备SiO2气凝胶。采用该技术制备的气凝胶材料密度仅为0.2049g/cm3，孔隙率88.76%，孔径1～100nm，吸附能力强，对四氯化碳的吸附率比传统活性炭高11倍。采用该技术制备的气凝胶材料可用于控制粉尘微粒或有害气体分子的污染，广泛应用于工业烟气处理、室内空气净化等领域。
2.2 气凝胶光催化空气净化复合材料
在气凝胶光催化材料的制备及应用中，吸附功能是核心，吸附材料的选择对气凝胶光催化材料的应用性能有较大影响，尤其是在室内污染物浓度很低的情况下，吸附材料的吸附能力对其实际空气净化效果有决定性作用。此外，虽然介孔材料可作为性能良好的吸附材料使用，但是一般介孔材料化学活性差，无催化活性，并且吸附选择性不高。因此，目前很多研究均集中于对介孔材料进行化学改性、复合等，经过化学修饰的介孔材料提高了对污染物的吸附能力和选择性，并可具备对污染物的降解功能，通过这些技术手段已制备出诸多新型功能化复合材料。通常，对于介孔材料的改性也存在一定技术问题，改性后引入的化学官能团会在介孔材料的孔道里形成占位，导致材料的孔容积减小，吸附能力降低。此外，其他催化剂材料与介孔吸附材料复合后会存在催化效率下降的风险，同时产品成本会大幅提高。因此，对多功能介孔材料的研究要集中在对介孔材料进行化学改性，重点是在保持其功能性的基础上制备出高性价比、低成本的新型复合材料。
在诸多介孔材料的复合改性技术中，研究最多的是将介孔材料与光催化剂进行复合改性，获得具有光催化功能的空气净化材料。光催化具有效率高、能耗低、无二次污染等显著优势，已被广泛应用于环境污染治理和空气净化，尤其在近几年愈加被重视，已制备出了性能优异的光催化复合材料。除成本问题外，易团聚问题也限制了催化剂的大规模应用。将粉末类光催化剂负载在高比表面积载体上被广泛用于解决光催化剂的分散问题。然而，这种方式也可能会因降低光催化剂的反应活性位而使光催化性能大幅降低，在很多方面还需要优化和改进。
气凝胶光催化剂是指内部为三维网络结构，结构中分散介质为气体的纳米多孔光催化材料，将高比表面积气凝胶与催化剂复合改性能够很好地解决光催化材料在应用中的分散问题，提高催化剂在空气净化材料中分布的均一性。通过将气凝胶材料与光催化技术结合，利用气凝胶的高表面积、多孔结构、稳定的物化特性，利用合适的技术手段，使光催化剂均匀分散并附着在气凝胶颗粒上，进而增加光催化剂的光接收面，从而达到提高其光催化效率的目的，在环境治理、能源制备等方面具有潜在应用价值。目前，最常见并被广泛关注的是气凝胶基二氧化钛（TiO2）光催化剂，但整体看气凝胶复合光催化材料和技术尚属于发展的初级阶段，缺乏系统研究和应用数据的支撑[12，13]。
Cao等[14]将正硅酸四乙酯和异丙醇钛作为前驱体，制备出了TiO2—SiO2气凝胶。研究表明，TiO2—SiO2气凝胶对异丙醇和三氯乙烯降解率分别为10.1%和9.7%，而通过将TiO2和SiO2混合制备催化剂对异丙醇和三氯乙烯的降解率仅为0.6%和1.4%。Liu等[15]通过对TiO2—SiO2气凝胶的研究发现，调整TiO2的含量和结晶度可以优化光催化剂的活性。
万文超等[16]采用了一步冷冻干燥法，将二维氮化碳（C3N4），或氮化硼和二硫化钼和片状光催化剂负载到氧化石墨烯气凝胶上，形成气凝胶基可见光光催化剂。研究表明，这种气凝胶光催化材料对一氧化氮（NO）的降解活性最大为47%，而原始的C3N4粉末对NO的降解活性仅为37%，这充分说明三维气凝胶网络结构中的多孔构造可以增加复合催化材料的比表面积，进而增加与污染物的结合点位。此外，這种气凝胶光催化材料具有很好的稳定性，长时间放置和循环使用也不会影响实际效果。
叶青等[17]采用活性炭纤维、颗粒活性炭和SiO2气凝胶与掺铁纳米TiO2通过浸涂法制成复合材料作为吸附剂，用甲醛作为气体污染物，考查复合材料的除甲醛功能。结果表明，较低污染气体浓度条件下，决定吸附材料吸附性能优劣的主要因素为微孔体积，甲醛分子可在微孔中形成毛细管凝结，最终实现对低浓度甲醛的捕捉。
2.3 气凝胶空气净化内墙涂料
随着人们生活方式的改变，在室内活动时间大大增多，与室内环境有关的病症也在逐渐增加。据相关统计，我国每年有十几万人死于室内污染，80%以上的幼儿白血病患者均与新装修房屋有关[18]。众所周知，室内的主要污染源是甲醛，而室内甲醛主要来源于装饰材料，如各种人造地板、装修涂料，还有部分来自日常生活中如窗帘、沙发、衣物等。1981年，美国国家职业安全与卫生研究所将甲醛作为可疑致癌物。
为降低甲醛对身体健康的影响，目前行业内普遍采用通风换气、物理吸附、化学处理、光触媒技术等方法进行治理，虽然这些处理方式均能起到降低室内甲醛浓度的作用，但大都治标不治本，很难从根本上彻底解决室内甲醛污染问题。理论上来说，要达到真正意义上的除醛，则需要从包括内墙涂料在内的室内装修材料出发，开发出含醛量极低甚至无醛的产品，同时赋予室内涂料产品或其他装饰材料持续高效的甲醛处理能力，最终实现边释放边处理的功能，使室内甲醛浓度始终保持在安全浓度以下，彻底消除甲醛危害。
由于涂料在室内刷涂面积大，与空气接触面积大，具有空气处理的先天优势，因此生产具有除醛剂除味功能的内墙涂料成为目前行业技术发展的一个重要趋势[19，20]。目前，行业内通常采用在涂料中配加多孔类材料如硅藻土、沸石、硅酸钙等，或向涂料体系中配加光触媒类相关产品，赋予涂层吸附和光催化降解甲醛的功能。但整体看，这类产品要么价格昂贵，要么除醛效果不显著，市场上缺乏高性价比的空气净化涂料产品。
气凝胶是一种高比表面积的介孔材料，吸附能力极强，从产品特性上来说比较适于空气净化内墙涂料的制备，但目前行业内的研究大都集中于保温涂层或反射隔热涂料的研制方面[21]，很少关注其空气净化功能[22]。
白麓楠[23]制备了以SiO2气凝胶和氧化钨系（WOx）—TiO2复合光催化材料为主要无机添加剂的空气净化涂料，研究了SiO2气凝胶/（WOx— TiO2）空气净化涂料对甲醛气体的降解能力。结果表明，吸附光催化剂占涂料的5%（质量分数），SiO2气凝胶与WOx—TiO2复合光催化粒子质量比为2∶1和1∶1时，具有较好的吸附光催化降解性能，3h内的甲醛去除率可达84.6%，表现出优异的空气净化除醛功能。
华阳新材料科技集团依托其拥有的气凝胶粉体及气凝胶涂料生产技术，已成功研发出具有除醛功能的气凝胶内墙涂料，经国家建材检验认证集团测试，产品的甲醛净化率达92%，甲醛净化持久性达87%，对甲醛的净化效率和甲醛净化持久性远远超过建材行业国家标准——《室内空气净化功能涂覆材料净化性能》（JC/ T1074-2008）的要求。
3 主要存在问题
作为一种新兴的功能材料，气凝胶在空气污染物治理方面具有传统材料无法比拟的优势，拥有十分广阔的发展应用前景。但气凝胶空气净化材料整体发展处于初级阶段，还存在诸多问题，仍需从以下几方面进行改进：
①与传统空气净化材料相比，气凝胶基空气净化材料价格昂贵，极大限制了其在行业中的大规模应用，因而低成本生产技术的开发将直接决定材料的应用规模。
②近些年来，随着制备工艺和生产技术的不断改进，气凝胶光催化剂的被广泛关注，但总体来看，现有的生产工艺普遍存在能耗高、生产效率低以及制备过程易产生环境污染等问题，进而在很大程度上限制了气凝胶光催化剂的发展及应用。因此，开发环境友好、低成本的气凝胶光催化材料的制备方法对于气凝胶材料的大规模应用意义重大。
③光催化材料与气凝胶复合，一般是利用气凝胶的高比表面积，将光催化剂分散在气凝胶颗粒表面上，但是气凝胶和催化剂之间结合稳定性差，并且气凝胶本身的特性也会影响催化剂活性，进而会影响催化效率的稳定性，因而开发高效、催化活性稳定的气凝胶基光催化材料仍是今后研究工作的重点。
④目前大多数研究仅仅局限于气凝胶材料的制备、气凝胶与催化剂的复合等理论方面，在净化空气方面的应用研究较少，很多空气净化领域均未涉及，今后仍需拓展应用领域及相关应用技术。随着气凝胶生产工艺的不断优化，气凝胶基空气净化材料将会在各行业得到广泛应用。
4 结语
为加快推进气凝胶材料在空气净化领域中的应用，拓展气凝胶复合材料在空气净化中的应用途径，还需从以下方面深入研究：①优化气凝胶制备工艺及改性复合技术，获得低成本、多功能气凝胶材料；
②开展对不同功能材料的加入对气凝胶材料的网络结构、物化特性以及其他性能影响规律的研究，实现气凝胶复合材料性能的可控性，针对不同目标污染物制备出不同孔径和孔结构的产能品，提高空气净化效率；
③合成新型多维纳米材料，并提高表面化学活性及结构强度，以获得具有多功能性且可重复利用的气凝胶复合材料；
④制备基于气凝胶的高活性、高稳定性催化剂材料，研究其在气态污染物治理领域的应用。
10.19599/j.issn.1008-892x.2021.02.012
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