هواژل‌ها، مواد نانوساختار سه‌بعدی: روش‌های سنتز، مشخصه‌یابی و کاربردها

پژوهش های کاربردی در شیمی

مقاله 2، دوره 16، شماره 3، آذر 1401، صفحه 1-26   

نوع مقاله: مروری

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/jacr.2022.1955029.2024

نویسندگان

مرتضی نامور¹؛ مصطفی مهین روستا²؛ علی اله وردی^{* 3}

¹دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی شیمی، آزمایشگاه تحقیقات صنایع شیمیایی معدنی، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران.

²دکتری مهندسی شیمی، آزمایشگاه تحقیقات صنایع شیمیایی معدنی، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران.

³استاد مهندسی شیمی، آزمایشگاه تحقیقات صنایع شیمیایی معدنی، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران.

چکیده

هواژل­ها به­دلیل ویژگی شگفت‌انگیز و کاربردهای بالقوه‌شان در حوزه‌های بسیار متنوع فناوری، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. هواژل­ها شبکه‌های متخلخل سه‌بعدی یا موادی با ساختار متخلخل هستند که از ژل‌های مرطوب به­دست می‌آیند، جایی که حلال‌ها با هوا جایگزین شده‌اند. خشک‌کردن ژل یک مرحله حیاتی در تهیه هواژل است. تاکنون روش‌های زیادی برای خشک‌کردن هواژل به‌کاربرده شده است که متداول‌ترین، امن‌ترین و ارزان‌ترین روش، روش خشک‌کردن در فشار محیط است.    به­دلیل هزینه بالا در سنتز هواژل­های یکپارچه، در سال‌های اخیر تهیه هواژل­های متخلخل با روش‌های نوین خشک‌کردن در مقیاس بالا مورد توجه پژوهشگران قرارگرفته است. در این مقاله، به معرفی هواژل، انواع آن، تاریخچه، ویژگی‌ها، طبقه‌بندی، سنتز و کاربردهای این ماده ارزشمند پرداخته‌ شده است. از هواژل­ها در کاربردهای فنی جدیدی به­عنوان عایق گرمایی کارامد، کاتالیست، ذخیره‌ساز انرژی، جاذب تصفیه آب و جاذب صدا استفاده می‌شود. همچنین، هواژل­ها در زیست­پزشکی و حسگرها نیز به­کار می‌روند. بحث در مورد چالش‌ها، محدودیت‌ها و نیاز مبرم به توسعه فناوری‌های جدید برای تولید هواژل ارایه‌ شده است.

کلیدواژه‌ها

هواژل؛ سنتز؛ خشک‌کردن؛ مشخصه‌یابی؛ کاربردها

مراجع

[1] Fricke, J.; Journal of Non-Crystalline Solids 100, 169-173, 1988.

[2] Fricke, J.; Emmerling, A.; Journal of Sol-Gel Science and Technology 13, 299-303, 1998.

[3] Namvar, M.; Mahinroosta, M.; Allahverdi, A; Mohammadzadeh, K.; Journal of Non-Crystalline Solids 586, 121561, 2022.

[4] Pierre, A.C.; Pajonk, G.M.; Chemical Reviews 102, 4243-4266, 2002.

[5] Gesser, H.D.; Goswami P.C.; Chemical Reviews 89,765-788, 1989.

[6] Wu, X.; Zhou, J.; Xing, W.; Wang, G.; Cui, H.; Zhuo, S.; Xue, Q.; Yan, Z.; Qiao, S. Z.; Journal of Materials Chemistry 43, 23186-23193, 2012.

[7] Lin, Y.; Ehlert, G.J.; Bukowsky, C.; Sodano, H.A.; ACS Applied Materials & Interfaces 7, 2200-2203, 2011.

[8] Leventis, N.; Sadekar, A.; Chandrasekaran, N.; Sotiriou-Leventis, C.; Chemistry of Materials  22, 2790-2803, 2010.

[9] Namvar, M.; Mahinroosta, M.; Allahverdi, A.; Ceramics International 47, 2222-2229, 2021.

[10] Mahinroosta, M.; Allahverdi, A.; “Production of High Purity α- and γ-Alumina from Aluminum Dross”, Elsevier, Netherlands, 2020.

[11] Allahverdi, A.; Mahinroosta, M.; “Recycling Aluminosilicate Industrial Wastes Into Geopolymer: A Review”, Elsevier, Netherlands, 2020.

[12] Mahinroosta, M.; Allahverdi, A.; Dong, P.; Bassim, N.; Journal of Alloys and Compounds 792, 161-169, 2019.

[13] Maghsoodloorad, H.; Allahverdi, A.; Journal of Materials in Civil Engineering 29, 04017006, 2017.

[14] McNaught, A.D.; Wilkinson, A.; “Compendium of Chemical Terminology”, Blackwell Science Oxford, United Kingdom, 1997.

[15] Aegerter, M.A.; Leventis, N.; Koebel, M.M.; Aerogels Handbook, Springer Science & Business Media, New York, 2011.

[16] Lin, Y.L.; Y, X.W.; Yu, Z.W.; Polymer 10, 623, 2018.

[17] Tang, S.; Zhang, X.; Fan, J.; Li, B.; Li, Z.; Wang, C.; Li, H.; Zhang, P.; Zhou.; J. Applied Materials Today 26, 101399, 2022.

[18] Tafreshi, O.A.; Mosanenzadeh, S.G.; Karamikamkar, S.; Saadatnia, Z.; Park, C.B.; Naguib, H.E.; Materials Today Chemistry 23, 100736. 2022.

[19] Dong, K.; Xu, K.; Wei, N.; Fang, Y.; Qin, Z.; Chemical Engineering Research and Design 179, 227-236. 2022.

[20] Karamikamkar, S.; Naguib, H.E.; Park, C.B.; Advances in Colloid and Interface Science 276, 102101, 2020.

[21] Kistler, S.; Rubber Chemistry and Technology 5, 600-603, 1932.

[22] Alemán, J.V.; Chadwick, A.V.; He, J.; Hess, M.; Horie, K.; Jones, R.G.; Kratochvíl, P.; Meisel, I.; Mita, I.; Moad, G.; Penczek, S.; Stepto, R.F.T.; Pure and Applied Chemistry 79, 1801-1829, 2007.

[23] Teichner, S.; “Aerogels of inorganic oxides” in: “Aerogels”, Springer, Berlin, Heidelberg 22-30, 1986.

[24] Brinker, C.; Ward, K.; Keefer, K.; Holupka, E.; Bray, P.; Pearson, R.; “Synthesis and structure of borate based aerogels” in: “Aerogels”, Springer, Berlin, Heidelberg 57-67, 1986.

[25] Broecker, F.; Heckmann, W.; Fischer, F.; Mielke, M.; Schroeder, J.; Stange, A.; “Structural analysis of granular silica aerogels” in: “Aerogels”, Springer, Berlin, Heidelberg 160-166. 1986.

[26] Gash, A.E.; Tillotson, T.M.; Satcher Jr, J.H.; Hrubesh, L.W.; Simpson, R.L. Journal of Non-Crystalline Solids 285, 22-28, 2001.

[27] Peri, J.B.; The Journal of Physical Chemistry 70, 2937-2945, 1966.

[28] Teichner, S.J.; Aerogels of Inorganic Oxides, in: J. Fricke (Ed.) “Aerogels”, Springer, Berlin Heidelberg, 22-30, 1986.

[29] Woignier, T.; Phalippou, J.; Quinson, J.; Pauthe, M.; Laveissiere, F.; Journal of Non-Crystalline Solids 145, 25-32, 1992.

[30] Brinker, C.; Keefer, K.; Schaefer, D.; Ashley, C.; Journal of Non-Crystalline Solids 48, 47-64, 1982.

[31] Tillotson, T.M.; Hrubesh, L.W.; Journal of Non-Crystalline Solids 145, 44-50, 1992.

[32] Lemay, J.; Tillotson, T.; Hrubesh, L.; Pekala, R.; MRS Online Proceedings Library 180, 321-324, 1990.

[33] Tsou, P.; Journal of Non-crystalline Solids 186, 415-427, 1995.

[34] Menaa, B.; Menaa, F.; Guimaraes, C.; Sharts, O.; International Journal of Nanotechnology 7, 1-45, 2010.

[35] Mohammadzadeh, K.; Mahinroosta, M.; Allahverdi, A.; Dong, P.; Bassim, N.; Ceramics International 48, 13154-13162, 2022.

[36] Du, A.; Zhou, B.; Zhang, Z.; Shen, J.; Materials (Basel) 6, 941-968. 2013.

[37] Mahinroosta, M.; Allahverdi, A.; International Conference/Workshop of Inter-islamic Network on Nanotechnology, Materials and Energy Research Center, Karaj, Iran, Feb. 2018.

[38] Mahinroosta, M.M.; Jomeh Farsangi, Z.; Allahverdi, A.; Shakoori, Z.; Materials Today Chemistry 8, 42-55. 2018.

[39] Hench, L.L.; West, J.K.; Chemical Reviews 90, 33-72, 1990.

[40] Jafari, V.; Allahverdi, A. Journal of Ultrafine Grained and Nanostructured Materials 47, 105-112, 2014.

[41] Livage, J.; Henry, M.; Sanchez, C. Progress in Solid State Chemistry 18, 259-341, 1988.

[42] Tamon H.; Kitamura, T.; Okazaki, M.; Journal of Colloid and Interface Science 197, 353-359, 1998.

[43] Wu, X.; Zhong, K.; Ding, J.; Shen, X.; Cui, S.; Zhong, Y.; Ma, J.; Chen, X.;  Journal of Non-Crystalline Solids 530, 119826, 2020.

[44] Sert Çok, S.; Gizli, N.; International Journal of Heat and Mass Transfer 188, 122618, 2022.

[45] Poco, J. F.; Satcher Jr, J.H.; Hrubesh, L.W.; Journal of Non-Crystalline Solids 285, 57-63, 2001.

[46] Mahinroosta, M.; Allahverdi, A.; Journal of Cleaner Production 179, 93-102, 2018.

[47] Mo, L.; Shen, Y.; Tan, Y.; Zhang, S.; International Journal of Biological Macromolecules 193, 1488-1498, 2021.

[48] Lermontov, S.A.; Malkova, A.N.; Sipyagina, N.A.; Baranchikov, A.E.; Kopitsa, G.P.; Bespalov, A.S.; Journal of Fluorine Chemistry 109742, 2021.

[49] Sun, M.; Bu, Y.; Feng, J.; Li, C.; Han, S.; Ji, X.; Fan, J.; Microchemical Journal 159, 105573, 2020.

[50] Mekonnen, B.T.; Ding, W.; Liu, H.; Guo, S.; Pang, X.; Ding, Z.; Seid, M..; Journal of Leather Science and Engineering 3, 1-16, 2021.

[51] Zha, J.; Roggendorf, H.; Advanced Materials 3, 522-522, 1991.

[52] Tarameshloo, A.; Kani, E.N.; Allahverdi, A.; Canadian Journal of Civil Engineering 44, 893-898, 2017.

[53] Najafi Kani, E; Allahverdi, A.; Iranian Journal of Materials Science & Engineering 8, 50-60, 2011.

[54] Bhaduri, S.; Materials and Manufacturing Processes 8, 391-392, 1993.

[55] Maleki, H.; Dur˜aes, L.; A. Garc´ıa-Gonz´alez C.; del Gaudio, P.; Portugal, A.; Mahmoudi, M.; Advances in Colloid and Interface Science 236, 1-27, 2016.

[56] García-González, C.A.; Camino-Rey, M.C.; Alnaief, M.; Zetzl, C.; Smirnova, I.; The Journal of Supercritical Fluids 66, 297-306, 2012.

[57] Matson, D.W.; Smith, R.D.; Journal of the American Ceramic Society 72, 871-881, 1989.

[58] Pajonk, G.M. “A Short History of the Preparation of Aerogels and Carbogels”, Sol-Gel Processing and Applications”, Springer, Boston, 1994.

[59] Bisson, A.; Rigacci, A.; Lecomte, D.; Rodier, E.; Achard, P.; Drying Technology 21, 593-628, 2003.

[60] Dorcheh, A.S.; Abbasi, M.; Journal of Materials Processing Technology 199, 10-26, 2008.

[61] Salem, S.; Jazayeri, S.; Bondioli, F.; Allahverdi, A.; Shirvani, M.; Journal of Color Science and Technology 5, 345-352, 2012.

[62] Vafaei, M.; Allahverdi, A.; Advanced Powder Technology 28, 215-222, 2017.

[63] Schwertfeger, F.; Glaubitt, W.; Schubert, U.S.; Journal of Non-Crystalline Solids 145, 85-89, 1992.

[64] Zhanga, T.;  Yuana, H.; Wang, S.; Guoa, X.; logoa, R.H.; Li, Yi.; Yang, G.; RSC Adv. 7, 32861-32865, 2017.

[65] Hüsing, N.; Schwertfeger, F.; Tappert, W.; Schubert, U.; Journal of Non-Crystalline Solids 186, 37-43, 1995.

[66] Salem, S.; Jazayeri, S.H.; Bondioli, F.; Allahverdi, A.; Shirvani, M.; Ferrari, A.M.; International Journal of Applied Ceramic Technology 9, 968-978, 2012.

[67] Allahverdi, A.; Pourzade, F.; Iranian Chemical Engineering Journal 11, 48-54, 2012.

[68] Salem, S.; Jazayeri, S.H.; Bondioli, F.; Allahverdi, A.; Shirvani, M.; Thermochimica Acta 521, 191-196, 2011.

[69] Yong, X.G.; Jeremy, B.G.; Journal of Composites Science 4(73), 1-40, 2020.

[70] Woignier, T.; Phalippou. J.; Journal of Non-Crystalline Solids 93, 17-21, 1987.

[71] Yang, W.; Liu, J.; Wang, Y.; Gao, S.; Energy and Buildings 206, 109583, 2020.

[72] Allahverdi, A.; Mahinroosta, M.; Pilehvar, S.; “The First Conference on New Approaches to Energy Conservation, University of Tehran, Tehran, March 2012.

[73] Bakhtiyari, S.; Allahverdi, A.; Ramezanianpoor, A.A.; Parhizkar, T.; Rais-Ghasemi, M.; Iranian Chemical Engineering Journal 10, 62-80, 2011.

[74] Wu, S.; Ning, D.; Xu, D.; Cheng, Y.; Mondal, A.K.; Zou, Q.; Zhu, H.; Huang, F.; Carbohydrate Research 511, 108488, 2022.

[75] Kramer, S.J.; Rubio-Alonso, F.; Mackenzie, J.D.; MRS Proceedings 435, 295, 1996.

[76] Marszewski, M.; Dashti, A.; McNeil, P.E.; Fox, M.; Wall, V.; Butts, D.M.; King, S.C.; Kashanchi, G.N.; Tolbert, S.H.; Dunn, B.; Pilon, L.; Microporous and Mesoporous Materials 330, 111569, 2022.

[77] Bakhtiyari, S.; Allahverdi, A.; Rais-Ghasemi, M.; Ramezanianpour, A.A.; Parhizkar, T.; Zarrabi, B.A.; International Journal of Civil Engineering 9, 215-222, 2011.

[78] Hüsing, N.; Schubert, U.; Angewandte Chemie International Edition 37, 22-45, 1998.

[79] Kim, C.; Kim, K.; Solar Energy Materials and Solar Cells 230, 111224, 2021.

[80] Rao, A.; Nilsen, E.; Einarsrud, M.-A.; Journal of Non-Crystalline Solids 296, 165-171, 2001.

[81] Tajiri, K.; Igarashi, K.; Solar Energy Materials and Solar Cells 54, 189-195, 1998.

[82] Y. Kumar, D. Saxena, 8th International Conference on Advancements in Engineering and Technology, Sangrur, India, March 2020.

[83] Lu, Y.; Liu, Z.; Li, X.; Jiang Yin, X.; Djati Utomo, H.; Energy and Buildings 259, 111866, 2022.

[84] Mahinroosta, M. Journal of Nanostructure in Chemistry, 3(47), 1-6, 2013.

[85] Ülker, Z.; Sanli, D.; Erkey, C.; Elsevier. 157-180, 2014.

[86] Umberto, B.; Energy Procedia 78, 394-399, 2015.

[87] Smirnova, A..; Dong, X..; Hara, H.; Vasiliev, A..; Sammesa, N.; International Journal of Hydrogen Energy 30, 149-158, 2005.

[88] Allahverdi, A.; Mahdavan, M.; Ceramics – Silikaty 57, 305-312, 2013.

[89] Wei, T.-Y.; Chen, C.-H.; Chang, K.-H.; Lu, S.-Y.; Hu, C.-C.; Chemistry of Materials 21, 3228-3233, 2009.

[90] Štandeker, S.; Novak, Z.; Knez, Ž.; Journal of Colloid and Interface Science 310, 362-368, 2007.

[91] Mahinroosta, M.; Allahverdi, A.; Environmental Technology & Innovation 23, 101549, 2021.

[92] Ganji, N.; Allahverdi, A.; Naeimpoor, F.; Mahinroosta, M.; Research on Chemical Intermediates 42, 5395-5412, 2016.

[93] Hartmann, M.; Kullmann, S.; Keller, H. Journal of Materials Chemistry 20, 9002-9017, 2010.

[94] Ferreira-Gonçalves, T.; Constantin, C.; Neagu, M.; Reis, C.P.; Sabri, F.; Simón-Vázquez, R. Biomedicine & Pharmacotherapy 144, 112356, 2021.

[95] Singh, N.; Vinjamur, M.; Mukhopadhyay, M.; The Journal of Supercritical Fluids 181, 105510, 2022.

[96] Iglesias-Mejuto, A.; García-González, C.A.; Materials Science and Engineering: C 131, 112525, 2021.

[97] Pircher, N.; Veigel, S.; Aigner, N.; Nedelec, J.M.; Rosenau, T.; Liebner, F. Carbohydrate Polymers 111, 505-513, 2014.

[98] Qin, Z.; Lv, Y.; Fang, X.; Zhao, B.; Niu, F.; Min, L.; Pan, K.; Chemical Engineering Journal 427, 131650, 2022.

[99] Pu, H.; Ding, X.; Chen, H.; Dai, R.; Shan, Z. Environmental Technology & Innovation 24, 101874, 2021.