Обычно аэрогели представляют собой рыхлые и ломкие твердые вещества либо очень тонкие порошки. Они обладают разветвленной макро- и мезопористой структурой и наноструктурой из взаимосвязанных коллоидных или полимерных первичных частиц размером порядка нескольких нанометров. Аэрогели обладают рядом интересных физико-химических свойств, в основном, благодаря их выдающейся пористости, которая может достигать 99,8% для SiO2. Их объемная плотность может составлять от 3 до нескольких сотен кг/м3 (для сравнения плотность воздуха при нормальных условиях составляет 1,29 кг/м3). Благодаря крайне низкой плотности и маленькому размеру частиц, аэрогели обладают очень низкой теплопроводностью. Так теплопроводность аэрогелей SiO2 варьируется от 0,014 Вт/м.К при атмосферном давлении до 0,004 Вт/м.К при давлении 1000 Па [15], что более чем на порядок ниже теплопроводности воздуха при атмосферном давлении (0,2 Вт/м.К). Помимо этого аэрогели SiO2 обладают и другими интересными свойствами, стимулировавшими интерес физиков к этим материалам. Так, низкие скорость звука (порядка 100 м/с) и модуль Юнга (106 Н/м), а также показатели преломления в пределах 1,008-1,4, обеспечившие их широкое применение в детекторах Черенкова, являются следствиями их низкой плотности и разреженной структуры.
Для применения аэрогелей в катализе более важной характеристикой является их высокая удельная поверхность. Например, удельная поверхность аэрогелей SiO2, измеренная по методу БЭТ, может составлять до 1600 м2/г [15], а TiO2 – до 600 м2/г [138]. Объем пор аэрогелей в среднем примерно на порядок выше, чем у соответствующих ксерогелей. Пористая структура обычно представлена микро-, мезо- и макропорами с размером пор меньше 150 нм. Высокая изотропия часто приводит к образованию аморфных материалов с высокой дисперсностью. Кроме того, морфология частиц аэрогелей и химический состав поверхности нередко обеспечивает им повышенную реакционную способность помимо более высокой удельной поверхности [139-141].
Одним из преимуществ аэрогелей традиционно считается отсутствие примесей, хотя оно и ограничивается чистотой собственно алкоксидов металлов, используемых для их получения. Непосредственно после сушки аэрогели содержат значительные количества органических примесей, причем их количества в высокотемпературных аэрогелях, как правило, меньше, чем в низкотемпературных и в ксерогелях [15]. В первом случае примеси в основном образуются в результате реалкоксилирования поверхности и обеспечивают гидрофобность высокотемпературных аэрогелей. В низкотемпературных аэрогелях, обладающих ярко выраженным гидрофильным характером поверхности, превалирует вклад остатков растворителя. Эти остатки могут оказывать существенное влияние на физические и химические свойства аэрогелей, такие как температура кристаллизации и каталитическая активность.
Рисунок 1.18 схематически иллюстрирует различия в структуре коллоидного аэрогеля и соответствующего ксерогеля. Наиболее принципиальное различие, очевидно, заключается в пористой структуре. В случае ксерогелей, которые получают обычной сушкой, происходит микроскопическое и макроскопическое сжатие, приводящее к изменениям удельной поверхности, объема, размера и морфологии пор, и объемной плотности. Процессы агрегирования и уплотнения при сушке приводят к более плотной морфологии частиц с острыми гранями и террасами.
На рисунке 1.19 представлены типичные для аэрогеля и ксерогеля распределения пор по размерам. Аэрогели представляют собой мезо- и макропористые материалы и обладают более высокой удельной поверхностью, чем ксерогели, для которых характерен существенно меньший размер пор с преобладанием микропористости. При этом, как правило, удельная поверхность низкотемпературных аэрогелей выше, чем высокотемпературных, однако это не всегда так, особенно после прокалки при высокой температуре [138, 142]. Подобные текстурные свойства аэрогелей делают их привлекательными материалами для каталитических приложений, поскольку приводят к легкой доступности их развитой "внутренней" поверхности и расположенных на ней активных центров.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.