二氧化硅气凝胶微球以其优于块状二氧化硅气凝胶的独特特性而闻名，包括优异的生物相容性和流动性，在生物医学、吸附纯化、催化反应、储能和传感方面具有广阔的应用前景。然而，高质量二氧化硅气凝胶微球的生产仍然面临重大挑战，例如球形度低、尺寸调整困难、形态不均匀以及干燥过程漫长，需要常压干燥数小时。
近期，清华大学化学工程系王涛教授团队提出了一种通过使用微流体和环境压力干燥技术高效合成高质量二氧化硅气凝胶微球的新工艺。相关研究以“Efficient Fabrication of Well-Shaped and Monodisperse Silica Aerogel Microspheres by Microfluidics and Rapid Ambient Pressure Drying”为题目，发表在期刊《Industrial & Engineering Chemistry Research》上。
本文要点：
1、本研究提出了一种通过使用微流体和环境压力干燥技术高效合成高质量二氧化硅气凝胶微球的新工艺。
2、在阶梯式T型微通道中制备胶体溶胶微滴，以实现窄直径分布和良好球形度。
3、采用一种新的常压高温干燥方法，实现了10min的常压快速干燥，且微球的线性收缩小于5%。
4、成功制备了直径可在50-300μm范围内调节的高球形度、均匀的二氧化硅气凝胶微球，其表现出高介孔性、超低密度、高比表面积和高疏水性。
5、深入研究了影响二氧化硅气凝胶微球最终形态的重要因素，包括溶胶-凝胶参数、凝胶老化时间和干燥温度等。
该新工艺通过以下几个方面改善了二氧化硅气凝胶微球的合成：
1、微流控技术：采用了阶梯式T型微通道，能够有效地控制二氧化硅溶胶微滴的尺寸，确保其直径在50至300微米之间，且具有良好的单分散性和球形度。
2、快速凝胶化：在含有三乙胺和三油酸甘油酯的凝胶浴中，微滴的凝胶化过程可以在短短10分钟内完成，显著缩短了传统方法所需的时间（通常需要数小时到数天）。
3、快速常压干燥：新工艺引入了快速常压干燥（RAPD）技术，在200°C的高温下，仅需10分钟即可完成干燥，同时保持微球的线性收缩小于5%。这一点大大减少了干燥过程中常见的收缩问题。
4、高孔隙率和低密度：通过表面改性和溶剂交换，最终得到的二氧化硅气凝胶微球展现出高介孔性、超低密度和高比表面积，适合于多种应用。
5、可调节的微球特性：该工艺能够通过调节流速和凝胶化条件，精确控制微球的尺寸和形态，从而满足不同应用的需求。
综上所述，这一新工艺不仅提高了二氧化硅气凝胶微球的合成效率，还改善了其形态和性能，为其在生物医学、吸附净化、催化反应等领域的应用奠定了坚实的基础。
合成的二氧化硅气凝胶微球（SAMs）具有独特的物理特性，因而在多个领域展现出广泛的应用前景，具体包括：
1、生物医学：由于其优良的生物相容性，二氧化硅气凝胶微球可用于药物传递系统，帮助实现药物的靶向释放。
2、吸附净化：在环境保护领域，SAMs可作为高效的吸附剂，用于去除水和空气中的污染物。
3、催化反应：其高比表面积和可调的孔隙结构使得SAMs在催化反应中具有良好的应用潜力。
4、能源存储：在能源领域，二氧化硅气凝胶微球可用于制造高效的储能材料，提升能量密度和释放速率。
5、传感器：由于其优异的表面特性，SAMs可用于开发高灵敏度的传感器，检测气体或液体中的特定成分。
图1.硅溶胶的制备方案。
图2.（a）传统的微通道芯片结构：（i）T形通道，（ii）共流通道，（iii）Y形通道，以及（iv）流动聚焦通道。（b）本研究中的阶梯式T形通道。（c）制备SGMs的微流体装置。（d）SSMs凝胶化为SGMs的机制。（e）溶剂交换、表面改性和快速常压干燥方案。
图3.（a-c）具有不同线性收缩率（40%、20%和5%）的SAMs的SEM图像。（d-f）单个SAM及其外表面的SEM图像。（g-i）具有不同线性收缩率（40%、20%和5%）的SAMs的TEM图像。（j）SAMs的N2吸附-解吸等温线。（k）SAMs的孔径分布。（l）表面改性前后SAMs的元素含量。（m）表面改性前后SAMs的化学基团含量。
图4.（a）HMDS改性后接触角的变化。（b）通过EDS获得的SAMs的元素分布。（c）XPS分析不同改性时间SAMs的表面化学性质。（d）不同改性时间的SAMs的TGA曲线（左）和改性6小时的SAMs的TGA曲线（右）。（e）TGA过程中改性SAMs的质量损失机制。（f）不同改性时间SAMs的FTIR光谱。
图5.（a）阶梯式T型微通道中液滴尺寸与两相流速之间的关系。（b）标准T型微通道中液滴尺寸与两相流速之间的关系。（c）阶梯式T型微通道中形成频率与两相流速之间的关系。（d）标准T型微通道中形成频率与两相流速之间的关系。（e和f）使用阶梯式T型微通道（e）和标准T型微通道（f）制备的SSMs的粒径和分布数据；连续相流速为50mL/h，分散相流速为0.9mL/h。不同直径（分别为50、100、150、200、250和300μm）的SAMs的SEM图像（g/l）。（m-r）不同直径SGMs（左）及其对应SAMs（右）的光学图像；分别为60、100、150、200、250和310μm。
图6.（a）左边是硅溶胶（SS）的图像，中间是浸泡在乙醇中的硅胶微球（SGMs），右边是二氧化硅气凝胶微球（SAMs）的图像。（b）SO、SS和SS-14的DLS尺寸分布。（c-e）100、170和240μm SGMs的光学显微镜图像。（f）在乙醇中老化以提高结构强度。（g和h）SGMs经不同老化时间得到的SAMs的线性收缩率和球形度。
图7.（a）HMDS与凝胶表面羟基的反应机理。（b）APD在高温下防止收缩的机理。（c）不同直径（120-320μm）微球在不同温度下干燥后的线性收缩。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.iecr.4c03881
