来源 | Nano-Micro Letters

链接 | https://doi.org/10.1007/s40820-025-01870-6

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背景介绍

在极端环境隔热、太阳能高效利用及电磁波管理等领域，传统材料往往难以兼顾多重性能需求。尤其在高低温交变、强辐射或复杂光学环境下，单一功能材料已无法满足日益增长的应用要求。“超黑材料”（吸光率 > 99%）在太阳能集热、精密光学等领域需求迫切，但传统碳气凝胶存在孔隙结构难控、规模化差的问题；纯硅气凝胶虽隔热性能优异，但缺乏光吸收能力，且机械强度低，难以定制复杂结构。开发一种兼具超黑吸光、高效隔热、良好机械性能及可定制形状的多功能材料，成为材料科学前沿的重要挑战。

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成果掠影

近日，南京工业大学气凝胶材料重点实验室沈晓冬教授团队与瑞士联邦材料科学与技术研究所（Empa）赵善宇研究员合作，通过直接墨水书写（DIW）的三维图案化技术，成功制备出一种超黑二氧化硅-碳纳米复合气凝胶。该材料在保持超高孔隙率（≈99.8%）的同时，展现出极低的热导率（15.8 mW/m·K）、超高的光吸收率（99.56%，280–2500nm）以及优异的光热转换效率（94.2%），在热管理、太阳能驱动水蒸发及电磁波吸收等多个领域表现出广泛应用潜力。研究成果以“Three-dimensional Patterning Super-Black Silica-Based Nanocomposite Aerogels”为题发表在《Nano-Micro Letters》期刊。

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图文导读

图1.通过直接墨水书写技术制备SiO₂–甲醛（RF）复合气凝胶的增材制造过程。a) SiO₂–RF复合气凝胶直接墨水书写示意图。墨水通过锥形微米级喷嘴顺畅挤出打印，打印构件在氨气催化体系中凝胶化，经超临界CO₂干燥处理，最后通过碳化衍生出碳-二氧化硅气凝胶。b) 采用SP2.5配方墨水（见表S1）通过内径410微米的锥形喷嘴以12毫米/秒的流速打印出的SiO₂–RF凝胶蒙古包结构（视频S1展示了完整打印过程的高速录像）。c-e) 水凝胶在不同阶段的形态：c) 固化前状态 d) 氨气诱导凝胶化后状态 e) 超临界CO2干燥后状态（白色比例尺为10毫米）。f) 不同配方墨水的剪切稀化行为曲线。g) 不同墨水的储能模量(G′)与损耗模量(G″)随剪切应力变化关系。h) 本次3D打印气凝胶与近期报道的其他3D打印气凝胶（包括3D二氧化硅气凝胶、3D纤维素气凝胶和3D MXene气凝胶）的综合性能对比。

图2.三维打印物体的结构形貌与性能表征。a-f 采用SP2.5墨水和410微米聚丙烯喷嘴打印的各种三维结构：a) 字符、b) 网格、c) 雪花、d) 花瓶、e) 圆柱阵列、f) 立方体。g) 网格结构的扫描电子显微镜（SEM）图像。h) 多层连续薄膜结构。i) 单根打印丝状结构。j) 单根打印丝状结构外表面放大图。k) 两根丝状结构界面结合处。l) 图g中橙色圆圈区域放大图，显示嵌入RF链的气凝胶颗粒。m) 图l中黄色框区域放大图，突出显示RF相。n) 图l中橙色框区域放大图，突出显示SiO₂相。o) 77K温度下测得的N₂吸附-脱附等温线。p) 通过Barrett-Joyner-Halenda（BJH）分析法得出的孔径分布曲线。q) 热重分析曲线：重量变化I对应吸附水的挥发，重量变化II对应有机基团的分解。

图3.SiO₂-RF复合气凝胶的热管理性能。a) 具有双网络结构的SiO₂-RF复合气凝胶的隔热机理示意图。b) SiO₂-RF复合气凝胶、聚氨酯泡沫和建筑砖材料隔热性能对比。c) 300°C加热15分钟后SiO₂-RF复合气凝胶、聚氨酯泡沫和建筑砖材料的光学与红外图像，以及加热后的背面光学图像。d) 在300°C稳定温度下SiO₂-RF复合气凝胶、聚氨酯泡沫和建筑砖材料的温度-时间曲线（插图：热台测试示意图）。e) 在300°C稳定温度下SiO₂-RF复合气凝胶、聚氨酯泡沫和水泥砖材料的温差-时间曲线（插图：稳态时样品上表面的红外图像）。f-h) 3D打印SiO₂-RF复合气凝胶与f) 商业保温材料、g) 传统气凝胶、h) 3D打印气凝胶（表S3）的导热系数对比。

图4.RF衍生超黑碳气凝胶的太阳能驱动光热特性。a) 白天开启/关闭闪光灯模式下超黑材料的光学照片（花朵用于位置参照）。b) 太阳光谱的具体划分及其能量占比。c) SiO₂-RF与碳-二氧化硅复合气凝胶在全太阳光谱范围内的吸收谱。d) 太阳能驱动蒸发装置示意图。e) 潮湿环境下1.0太阳光强度照射时碳-二氧化硅复合材料的红外图像。f) 在1.0太阳光强度照射下，碳-二氧化硅复合材料顶部温度、水温及环境温度随照射时间的变化曲线。g) 在1.0太阳光强度照射和黑暗环境下，装有蒸发器的水质量随时间的变化曲线。h) 碳-二氧化硅复合材料与其他先进光热转换材料（包括泡沫基、水凝胶基和气凝胶基材料）的水蒸发速率和光热转换效率对比（详见表S4）。i) 基于三维图案化微通道的光热转换机理示意图。

图5.三维结构碳-二氧化硅复合气凝胶的电磁波吸收性能。a-d 不同填充含量CA的反射损耗（RL）二维曲线图：a) 20 wt%、b) 30 wt%、c) 40 wt%、d) 50 wt%。e-l 不同填充含量CA的反射损耗三维曲线图：e,i) 20 wt%、f,j) 30 wt%、g,k) 40 wt%、h,l) 50 wt%。m) CA的复介电常数实部（ε'）。n) CA的复介电常数虚部（ε"）。o) CA的介电损耗角正切（tanδ=ε"/ε'）。p) CA的Cole-Cole曲线。q) CA的电磁波吸收（EMWA）机理示意图。