中科院苏州纳米所张学同团队Nat. Commun.：溶剂可调节的界面基团使按需超疏水/超亲水二氧化硅气凝胶成为可能
二氧化硅气凝胶作为最早被合成并商业化的气凝胶材料之一，在热绝缘、声学绝缘、光学、催化和吸附等领域具有重要应用价值。其独特的性能包括高孔隙率、大比表面积、低热导率、可调反射率和散射率以及低声速，这些性能使其在航空航天、制造和建筑等行业中广泛应用。然而，尽管二氧化硅气凝胶的研究和应用已有近一个世纪的历史，但合成过程中使用的溶剂对其性能的影响却一直被忽视，导致对其性能的评估不够准确和明确。
苏州纳米所张学同团队系统研究了溶剂调控在二氧化硅气凝胶合成中的作用，揭示了溶剂可调节的界面基团如何实现二氧化硅气凝胶的按需超疏水/超亲水性能。研究发现，在溶胶-凝胶转变或溶剂交换过程中，溶剂从水变为乙醇或反之，会导致二氧化硅界面基团从超亲水的Si-OH转变为超疏水的Si-OEt或反之，这一过程是通过可逆的酯化反应实现的。研究不仅验证了这一现象在不同二氧化硅前驱体中的普遍性，还提供了一种绿色、经济、高效的方法来实现二氧化硅气凝胶的按需亲水/疏水性能，适用于特定的吸附等应用。通过实验，研究者成功制备了超疏水和超亲水二氧化硅气凝胶，并详细探讨了其性能和应用前景。相关研究以Solvent-regulable interfacial groups enable on-demand superhydrophobic/superhydrophilic silica aerogels发表于 Nature Communications上。
图文解析
图1 溶剂调控的二氧化硅气凝胶前驱体转变示意图
图1展示了通过溶剂调控实现二氧化硅气凝胶前驱体从超疏水到超亲水的转变过程。使用不同的溶剂（水或乙醇）可以调节气凝胶的表面属性，通过可逆的酯化反应，使气凝胶在超疏水和超亲水之间切换，从而实现按需合成。
图2 乙醇作为溶剂合成超疏水二氧化硅气凝胶
图2展示了使用乙醇作为溶剂合成超疏水二氧化硅气凝胶的过程及其性能。通过酸碱催化，MTMS和TMOS前驱体在乙醇中发生水解和缩合反应，形成超疏水气凝胶前驱体。经过超临界CO2干燥后，得到的气凝胶具有超疏水性能，水接触角高达150.6°，并且可以通过水处理时间的调节实现从超疏水到超亲水的转变。
图3 水作为溶剂合成超亲水二氧化硅气凝胶
图3展示了使用水作为溶剂合成超亲水二氧化硅气凝胶的过程及其性能。通过酸碱催化，MTMS和TMOS前驱体在水中发生水解和缩合反应，形成超亲水气凝胶前驱体。经过超临界CO2干燥后，得到的气凝胶具有超亲水性能，水接触角接近0°，并且可以通过乙醇处理时间的调节实现从超亲水到超疏水的转变。
图4 溶剂调控二氧化硅气凝胶表面属性的机制研究
图4通过红外光谱和核磁共振谱的分析，揭示了酯化反应和水解反应在溶剂调控过程中的关键作用。超疏水气凝胶表面富含Si-OCH2CH3基团，而超亲水气凝胶表面则富含Si-OH基团，这些化学基团的变化是实现气凝胶表面属性调控的根本原因。
图5 溶剂调控二氧化硅气凝胶在不同应用中的性能表现
图5展示了溶剂调控二氧化硅气凝胶在不同应用中的性能表现。通过使用不同的二氧化硅前驱体混合物，验证了溶剂调控方法的普适性。超疏水气凝胶在油水分离和自清洁应用中表现出优异性能，而超亲水气凝胶则在染料吸附方面表现出高效性。这些结果表明，溶剂调控方法可以显著提高二氧化硅气凝胶在多种应用中的适应性。
图6 传统合成方法与溶剂调控方法的对比
图6展示了传统合成方法与溶剂调控方法的对比。溶剂调控方法不仅简化了合成过程，还实现了快速、大规模的气凝胶生产。此外，该方法在气相中也表现出优异的性能，可以通过水蒸气和乙醇蒸气实现气凝胶表面属性的快速转变。相比之下，传统方法需要复杂的后处理步骤，并且使用昂贵且有毒的改性剂，而溶剂调控方法则更加环保和经济。
总结与展望
本文通过系统研究溶剂调控在二氧化硅气凝胶合成中的作用，揭示了溶剂可调节的界面基团如何实现二氧化硅气凝胶的按需超疏水/超亲水性能。研究发现，在溶胶-凝胶转变或溶剂交换过程中，溶剂从水变为乙醇或反之，会导致二氧化硅界面基团从超亲水的Si-OH转变为超疏水的Si-OEt或反之，这一过程是通过可逆的酯化反应实现的。研究不仅验证了这一现象在不同二氧化硅前驱体中的普遍性，还提供了一种绿色、经济、高效的方法来实现二氧化硅气凝胶的按需亲水/疏水性能，适用于特定的吸附等应用。通过实验，研究者成功制备了超疏水和超亲水二氧化硅气凝胶，并详细探讨了其性能和应用前景。超疏水气凝胶的水接触角高达150.6°，水滑动角低至2.9°，而超亲水气凝胶的水接触角接近0°。超疏水气凝胶在油水分离中表现出高效率，对甲基蓝染料的吸附能力在油相中显著优于超亲水气凝胶；超亲水气凝胶在水相中对甲基蓝染料的吸附能力则表现出高效性。
未来的研究可以进一步优化溶剂调控方法，探索更多种类的溶剂和前驱体组合，以实现更广泛的性能调控。此外，可以深入研究溶剂调控对气凝胶微观结构的影响，进一步提高其在不同应用中的性能。溶剂调控方法的绿色、经济和高效特点，使其在大规模生产中具有很大的潜力，有望在更多领域得到广泛应用，如环境修复、能源存储和生物医学等。通过不断改进和创新，溶剂调控方法有望成为制备高性能二氧化硅气凝胶的标准工艺。
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