设计金属气凝胶发展路线，促进可控制备与应用进展-香港大学浙江科学技术研究院

设计金属气凝胶发展路线，促进可控制备与应用进展

2021.05.06

金属气凝胶（Metal Aerogels, MAs）是近十年首次被发现的一类新型气凝胶材料。金属通常具有高导电性、催化活性、独特的等离激元性质、延展性等性质，而气凝胶具有高孔隙率、大比表面积、自支撑结构等特点；MAs兼具二者的特点，故在催化、传感、能源储存与转换等领域具有广阔的应用前景。虽然经历了十年的研究，但MAs这一领域的发展仍然处于初级阶段，这主要归因于制备方面的挑战。有限的制备/调控策略与模糊不清的形成机理，导致其化学组成与结构的多样性受到极大限制，这进一步影响了其基本物理化学性质的表征与实际应用的探索。香港大学浙江科学技术研究院（HKU-ZIRI）的杜然（Ran Du）博士与同济大学、德累斯顿工业大学（TU Dresden）等单位合作，回顾了 MAs领域十年来的发展，系统总结了可控合成方法与实际应用进展，旨在为后续发展提供清晰的参考路线。相关工作发表在CELL系列刊物《Matter》上（链接见后）。

图1 金属气凝胶的发展路线（Jiang et al, Matter 2021, 4 , 54）。

在可控制备部分，首先概述了金属气凝胶的各类非溶胶-凝胶制备方法，如去合金化、模板法、高温还原、燃烧法、3D打印等。其次，着重介绍了溶胶-凝胶方法。一方面，总结了有关金属体系溶胶-凝胶过程机理的最新认识；另一方面，通过总结溶胶-凝胶过程中的关键参数，提出了金属气凝胶的“六维设计”方案，系统阐述了如何从前驱体、引发剂、还原剂、配体、溶剂、外场六个维度实现金属气凝胶的可控合成。

在应用方面，概述了金属气凝胶在催化领域（包含非电催化、电催化、光电催化等）、光学领域（如表面增强拉曼散射）、传感领域（如电传感、生物传感）、能源储存与转换领域（电容器、电池）、净水等领域的应用现状、发展前景与相关设计原则。

最后，文章从可控制备与实际应用两方面，对金属气凝胶领域目前面临的挑战进行了总结。合成方面，主要面临组成/结构多样性受限、微观尺度凝胶形成机理不清等挑战；应用方面，主要面临构效关系研究不足、缺乏“杀手锏”应用、缺乏宽广的应用范畴等挑战。总之，金属气凝胶这一领域潜力巨大但充满挑战，而相关研究尚远远不足，亟需更多研究者加入以充分发挥材料的真正潜力。相关研究正在港大浙江研究院“先进功能材料”实验室展开。