纳米多孔稀土基气凝胶的合成、凝胶化机理和功能化设计

Due to the interesting physical and chemical properties, such as ultra-low density, ultra-high specific surface area, ultra-high porosity and so on, aerogels are widely used in aviation, aerospace, inertial confinement fusion(ICF), thermal insulation, energy etc. as a new functional material. In recent years, many researchers are focused on the investigation of SiO2 aerogels, carbon aerogels, TiO2 aerogels, Al2O3 aerogels and so on. However,a little attention has been paid to the rare-earth(RE)-based aerogels. In this project, lanthanum(La)-based and yttrium(Y)-based aerogels will be synthesized via sol-gel process, the polyacrylic acid is used as dispersing agent and template while propylene oxide is used as gelation promoter. The general preparation process and gelation mechanism of RE-based aerogels will be clarified.The controllable properties of RE-based aerogels, such as density, microstructure,specific surface area,moulding etc., will also be reseached. In order to develop the potential application of RE-based aerogel in ICF, aviation and aerospace, the functional designs of RE-based aerogel are carried out. To investigate the RE-based aerogel not only provides a new nanoporous material, but also obtains technological reserve for the research and application of RE elements. The general preparation process and gelation mechanism of RE-based aerogels will be clarified as the key science problem in this project.

气凝胶是一种用途极其广泛的新型功能材料，具有极低的密度、极高的比表面积、丰富的孔洞结构等独特的性质，在航空航天、惯性约束聚变（ICF）、保温隔热、能源等领域具有重要应用。常见的气凝胶有SiO2气凝胶、碳气凝胶、TiO2气凝胶、Al2O3气凝胶等，而以稀土元素为主要化学成分的气凝胶却鲜有报道。本项目拟采用溶胶-凝胶工艺，以聚丙烯酸为分散剂和模板剂，以环氧丙烷为凝胶促进剂，以稀土镧（La）基和钇（Y）基气凝胶为主要研究对象，探索稀土基气凝胶的通用制备方法和凝胶化机理，实现对稀土基气凝胶的密度、微观结构、比表面积、成型性等性能的调控，并对稀土基气凝胶在高技术领域可能的应用进行功能化设计。本项目的顺利实施，不仅能获得一种应用性强的新气凝胶材料，而且还为稀土元素的研究和应用提供技术储备。本项目拟解决的关键科学问题：探索稀土基气凝胶的通用制备方法和凝胶化机理。

传统溶胶-凝胶法可以制备多种性能优越的低密度气凝胶，但在制备低密度高原子系数元素氧化物气凝胶时，所获得的实验样品非常容易收缩和开裂。本项目围绕纳米多孔稀土基气凝胶（高原子系数）的制备、凝胶机理和功能化设计展开工作，以稀土元素La和Y为研究对象（La和Y分别是轻稀土和重稀土的代表，在工业领域具有重要的应用），以聚丙烯酸为分散剂和模板剂，以环氧丙烷为凝胶促进剂，结合二氧化碳超临界干燥技术，制备了稀土La基和Y基气凝胶。获得了制备低密度、成型性好稀土基气凝胶的技术参数调控范围，在此调控范围内，适当改变各反应物的用量，可以制备其它稀土基气凝胶。各反应参数的具体配比为：稀土氯化物、无水乙醇、去离子水、聚丙烯酸、环氧化物的添加比例为6mmol: 0-60ml: 0.5-30ml: 0-5ml: 1-10ml。对采用此配比所制备的稀土基气凝胶的密度、微观形貌、成份、成型性进行了表征。结果显示稀土基气凝胶为低密度高比表积纳米多孔材料，颗粒分布均匀，孔洞连续贯通，最低密度可达到80mg/cm3，比表面积达到300 m2/g，平均孔径为23nm。在对实验现象和样品性能分析的基础上，分析了制备稀土基气凝胶的溶胶凝胶机理。将稀土元素的氯化物溶解到乙醇和去离子水的混合溶液中时，稀土离子以水合稀土离子的形式存在于溶液中，且水解和缩聚反应同时存在同时进行。当混合溶液中加入环氧丙烷后，环氧丙烷将消耗溶液中的质子（即氢离子），导致水解－缩聚反应向右边进行，形成稀土基凝胶。只加入环氧丙烷所制备的稀土基气凝胶结构比较疏松，力学性能比较差，而加入适量的聚丙烯酸有助于提高稀土基气凝胶的颗粒之间的结合强度，从而增强气凝胶的骨架强度。采用微成型和激光微加工工艺，制备了厚度为几微米的低密度纳米多孔稀土基气凝胶薄片，作为背光源靶材料和流体力学不稳定性实验用靶的衬底材料，应用于激光惯性约束聚变的探索实验。本项目的研究不仅获得了制备低密度成型性好的稀土基气凝胶的普适性方法及其凝胶化机理，为稀土元素的研究和应用提供技术储备，也拓展了稀土元素的研究领域和应用范围。