近日，同济大学物理科学与工程学院王晓栋副教授和沈军教授团队联合瑞士联邦材料科学与技术研究所（EMPA）赵善宇研究员，通过聚合物微模板法，调控了金属氧化物气凝胶的纳米基元结构，大大提升了其力学性能和耐高温性能，有望使气凝胶在航天飞行器和动力电池领域的应用再上一个台阶。相关研究成果以“Strong and Ultrahigh Temperature-Resistant Metal Oxide Nanobelt Aerogels”为题在线发表于国际知名期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。

开发在高温环境下能保持结构完整性和优异隔热性能的热绝缘材料，对航天飞行器和动力电池等的隔热保温和热防护具有重要意义。金属氧化物气凝胶具有高比表面积、低密度、优异的热学、化学稳定性和功能多样性，是一种理想的高温隔热和催化剂载体材料。然而，受纳米颗粒组装的多孔结构的影响，传统的金属氧化物气凝胶一般呈现脆性，可压缩性差，高温下易发生烧结相变而导致热收缩。这些缺点使得金属氧化物气凝胶极易在外力作用下碎裂，并在高温下烧结或粉化，极大地限制了其在高温条件下的实际应用。因此，设计调控金属氧化物气凝胶的纳米基元结构，克服其骨架结构脆性的同时提升其耐高温性能，是金属氧化物气凝胶在高温下服役的关键。

受聚合物气凝胶优异力学性能的启发，本工作采用聚合物微模板化策略，通过聚酰氨酸盐和金属盐前驱体的共凝胶反应，将纳米颗粒组装的项链状基元结构转变为类聚合物状的纳米带结构，经超临界干燥和煅烧去模板，获得了Al2O3、Cr2O3和Fe2O3等金属氧化物纳米带（MNB）气凝胶。聚酰胺酸盐分子链和溶剂化金属离子之间的氢键相互作用，使得金属氧化物的初级胶体粒子缠绕聚酰胺酸分子链生长，最终以一维纳米带形式排列。经乙醇超临界干燥和600°C煅烧去模板后，纳米带结构仍然完好无损。这一稳定的微结构也说明MNB气凝胶具备高温服役的潜质。

这种一维纳米带基元结构的构筑，避免了纳米颗粒组装的基元结构中的颗粒间节点的形成，减少了应力集中点的同时抑制了高温下的传质和相变，MNB气凝胶因此表现出优异的力学性能和耐高温性能。Al-MNB气凝胶能够承受高达80%的压缩而不碎裂，而传统纳米颗粒组装的氧化铝气凝胶仅能承受4%的压缩。此外，Al-MNB气凝胶在高温实验中表现出优异的耐火性和高温隔热性能，1300°C热处理2小时后仍能保持228m2/g的高比表面积，丁烷喷枪火焰灼烧300s后平均背温仅为68.6°C。

该研究工作首次通过聚合物微模板方法，合成了以纳米带为基元结构的金属氧化物气凝胶，为设计高性能、轻质、高强度的高温隔热材料开辟了新的思路。这种纳米带结构赋予了金属氧化物气凝胶优异的力学性能和超高温隔热性能，在航天飞行器热管理和动力电池热失控防护等极端环境中的应用潜力巨大。

同济大学物理科学与工程学院王晓栋副教授、沈军教授和瑞士EMPA赵善宇研究员为论文共同通讯作者，王逸君博士生、张泽博士为论文共同第一作者。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202414592