气凝胶：能改变世界的多功能材料******

　　展览会上展出的具有纳米多孔结构的新型材料气凝胶服装

中新社 任海霞摄

　　【走近超材料①】

　　编者按超材料具有常规材料不具备的超常物理性质，是国际上重点关注的战略前沿领域。我国也高度重视超材料技术的发展，国家自然科学基金、新材料重大专项等都对超材料研究予以立项支持。近年来，越来越多的科研人员对超材料产生兴趣，使超材料的设计开发进入了一个崭新的天地。据此，本版推出“走近超材料”系列报道，展示超材料技术创新发展与产业化应用情况。

　　气凝胶具有高比表面积、高空隙率等特殊的微观结构特点，化学性能稳定、导热系数低、耐高温、使用温度范围广、寿命长。近年来，中国、美国、欧洲等国家和地区的研究人员通过改进气凝胶制备工艺，开发出生物质基气凝胶等多种新型气凝胶。

　　气凝胶是一种超材料，它非常轻，即使把一块气凝胶放在花蕊上也不会将其压弯。目前，各种各样的气凝胶被开发出来，它们或柔软或坚硬，或导电或绝缘，应用领域广泛。1月10日，中铁一局集团有限公司表示，河南省新乡蒸汽管网项目全面通过验收。蒸汽管网对防腐、保温要求极高，其管道选用了高温离心玻璃棉及纳米气凝胶复合保温材料。项目技术负责人汪惺说，纳米气凝胶隔热效果是传统隔热材料的2—5倍，可极大提高施工质量和施工效率，降低施工成本。

　　作为目前已知导热系数最低、密度最小的固体材料，气凝胶可谓是材料领域的“隔热王者”，并已在航天、石化等领域应用。比如“天问一号”探测器发动机与火星车表面、“长征五号”遥四运载火箭发动机高温燃气系统隔热、嫦娥四号探测器热电池防护等都应用了气凝胶。在我国提出“双碳”目标后，随着技术的不断创新，气凝胶的应用场景也在进一步扩大。

　　具有耐高温、高弹性、强吸附等特性

　　气凝胶是一种纳米级的多孔固态新型材料，所有孔的体积合起来占整个气凝胶体积的绝大多数，甚至可以达到99％以上，具有高比表面积、高空隙率、纳米级孔洞、低密度等特殊的微观结构特点，化学性能稳定、导热系数低、耐高温、高弹性、强吸附、防水效果好、使用温度范围广、寿命长。

　　“可以把气凝胶理解成多孔海绵的一个纳米版。”气凝胶领域技术专家王贝尔说，其孔径在20纳米至50纳米之间。而空气分子大小约为70纳米，大于气凝胶孔隙的直径，因此空气在气凝胶上流动效率极低，加上气凝胶本身比热容很高，热辐射传递能降到最低，因而具有很好的隔热性能。

　　气凝胶主要分为无机气凝胶、有机气凝胶和有机—无机杂化气凝胶三类。其中，无机气凝胶是以无机物为主体，包括单质气凝胶、氧化物气凝胶和硫化物气凝胶等。有机气凝胶则是以有机物为主体，主要包括酚醛气凝胶、纤维素气凝胶、聚酰亚胺气凝胶、壳聚糖气凝胶以及壳聚糖—纤维素气凝胶等。有机—无机杂化气凝胶可利用有机物和无机物各自优势，实现气凝胶特殊的功能化。

　　《科学》杂志2021年将气凝胶列为十大热门科学技术之一，并称其为“可以改变世界的多功能新材料”。王贝尔说，气凝胶是《科学》杂志评选出的十大新材料中，唯一一个已大规模落地于实际商业场景的材料。

　　气凝胶的制备工艺主要分为两步，即通过溶胶—凝胶过程制备凝胶，再利用一定的干燥方法将凝胶内的液态物质替换为气态，从而制得气凝胶。

　　有数据显示，在气凝胶行业的成本结构中，制造成本约占45%。苏州锦富技术股份有限公司董事长助理郑松说，降低气凝胶成本是行业正在努力的一个方向，目前主要路径之一是自动化产线的落地，而成本降低将会打开更多的应用场景。

　　生物质基气凝胶成研究热点

　　据中国石油管道科技研究中心评估，以350摄氏度蒸汽管道的保温应用为例，相比于传统保温材料，气凝胶的保温层厚度可减少2/3，节约能耗40%以上，每公里管道每年可减少二氧化碳排放125吨。

　　数据显示，2021年油气领域对气凝胶的需求占总需求量的56%，另有18%用于工业隔热、9%用于建筑建造、8%用于交通运输。国家新材料产业发展战略咨询委员会在《2022气凝胶行业研究报告》中指出，在新能源汽车蓄电池芯模组中采用气凝胶阻燃材料，可将电池包高温耐受能力提高至800摄氏度以上。随着新能源汽车产业等的发展，气凝胶在新能源汽车及储能行业应用场景广泛，需求量有望持续提升。

　　气凝胶发展迅速。国务院发展研究中心国际技术经济研究所分析员李维科说，近年来，中国、美国、欧洲等国家和地区的研究人员通过改进气凝胶制备工艺，开发出生物质基气凝胶、石墨烯气凝胶、聚合物气凝胶等多种新型气凝胶。值得一提的是，生物质原料来源广泛、成本低廉、碳源丰富，利用生物质原料制备环保型多孔碳纤维气凝胶是一种经济、可持续的生产方式，因此目前生物质基气凝胶也成为研究的热点。

　　比如中国科学技术大学俞书宏院士团队研发出超弹性纤维素气凝胶，该纤维素气凝胶从室温到零下196摄氏度，都表现出不随温度变化的超弹性、优异的抗疲劳性等，在恶劣环境中具有巨大的隔热潜力。且制备中所使用的材料均为生物质原料，有望解决能源密集型技术和石化材料造成的环境污染问题，是传统不可再生气凝胶的理想替代品。

　　中国林业科学研究院木材工业研究所卢芸研究员团队以木材为基质，将无机、有机气凝胶与木材骨架基体复合，首创了第三代木质纤维素气凝胶。通过对木材及生物质废弃物纤维素的调控，将纤维素比表面积提高了7个数量级，对油污吸附能力高达自身质量的75—300倍，体积用量缩减50%—75%，可降解、可再生。

　　气凝胶发展驶入“快车道”

　　气凝胶的发展得到国家政策的持续支持。2014年和2015年，国家发改委连续两年将气凝胶列入《国家重点节能低碳技术推广目录》，开始对气凝胶进行初步推广应用；2018年6月气凝胶被列入建材新兴产业；同年9月，第一个气凝胶方面的国家标准《纳米孔气凝胶复合绝热制品》发布；2020年，《气凝胶保温隔热涂料系统技术标准》启用；2021年，《中共中央、国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》提出，推动气凝胶等新型材料研发应用。

　　随着气凝胶应用技术不断成熟，气凝胶发展进入“快车道”。不过，李维科说，目前气凝胶研究仍存在一些问题，比如气凝胶在高温条件下热导率增长较快，与纤维等增强基体材料的黏结性较差；生产过程中会用到许多有机溶剂，容易造成环境污染；气凝胶难以回收利用，不利于可持续发展等。

　　此外，气凝胶生产成本高昂，产品价格昂贵。《2022气凝胶行业研究报告》指出，气凝胶的生产成本主要集中在原材料硅源、设备折旧及能耗方面。有效降低成本既依赖于制备工艺的突破，也需要通过低成本原材料的大规模产业化来实现。

　　气凝胶是罕见的可以同时满足防火、防水、隔热、隔音等多种需求的材料。李维科说，气凝胶的发展和应用仍然处于不断探索的过程，未来的研究方向主要集中在开发纤维素气凝胶、石墨烯气凝胶、钙钛矿结构气凝胶、非金属单质气凝胶等新型气凝胶上。（记者 李 禾）

不确定性犹存 绿色转型不易——2023年世界能源形势前瞻******

　　2023年，在地缘冲突、气候变化、汇率波动等多种因素影响下，全球能源安全不确定性将依然存在。

　　这场能源危机从去年延续至今，引发一些国家燃料短缺、企业倒闭、经济运行放缓，不仅迫使相关国家调整能源政策，而且可能促使国际能源格局深刻变化。

　　能源危机引发连锁反应

　　去年以来，全球能源供需矛盾急剧恶化，国际能源价格波动频繁，市场行情充满不确定性。

　　“这是第一次真正意义上的全球性能源危机，冲击广度和复杂性前所未有。”国际能源署日前发布的《2022年世界能源展望》报告开篇这样写道。

　　作为重要能源生产国、出口国，俄罗斯在全球能源市场中举足轻重。乌克兰危机升级后，美西方对俄发起严厉制裁，导致能源供应遇阻、价格飙涨并引发高通胀等连锁反应。

　　欧洲智库布鲁盖尔研究所不久前发布的统计数据显示，欧洲电力和天然气批发价格与2021年相比已上涨15倍，如果仅靠政府补贴而不采取其他措施应对，在能源价格回落前欧洲国家补贴费用或将高达1万亿欧元。

　　这次危机凸显国际能源供应结构的脆弱性。以天然气为例，由于来自俄罗斯的天然气锐减，欧洲进口液化天然气比例显著升高。然而，习惯通过管道进口天然气的欧洲国家，并没有足够的液化天然气储存设施。

　　数据显示，乌克兰危机升级前，欧盟30%的石油、45%的天然气和46%的煤炭来自俄罗斯。欧盟想要改变这种能源供应结构，并非短期内就能实现。

　　能源价格飙升不仅困扰欧洲，更引发全球连锁反应。液化天然气价格飙升，日韩等经济体想方设法节电同时，考虑重启核电；印度煤炭进口数量一度创历史新高；不少能源依靠进口的新兴经济体、欠发达经济体不得不与发达经济体高价竞购能源。这种状况也引发全球能源市场激烈重构，美国能源出口商利润暴增，北非等天然气储量较高地区也在试图增加出口。

　　欧洲能源危机及其连锁反应加剧全球大宗商品价格波动，众多国家通货膨胀率飙升，一些国家经济困境进一步加深。

　　能源价格短期或保持高位

　　除非地缘政治因素和全球供求关系出现根本变化，未来能源价格仍将在一段时间内保持高位，能源供应紧张局面将持续。

　　国际能源署执行干事法提赫·比罗尔此前表示，欧盟2023年可能面临约270亿立方米的天然气缺口，约占欧盟天然气基准总需求的6.8%。国际能源署预计，全球原油市场供应也可能在2023年第三季度出现大幅短缺的局面，带动伦敦布伦特原油期货价格升至每桶100美元附近。

　　世界银行近日发布的《大宗商品市场展望》预计，2023年全球原油、天然气和煤炭等主要能源价格将有所下降，但仍将远高于过去5年的平均水平。

　　美国标普全球商品洞察公司日前发布的《2023年能源展望》报告提到，尽管天然气、煤炭、原油等能源大宗商品价格2023年将有所下滑，但欧洲电力市场紧张局面不会有明显改善，电力市场结构性改革将成为欧洲各国2023年重要议程。

　　未来数年，俄罗斯油气生产和出口受限将导致全球天然气供应持续处于短缺状态，加之碳达峰碳中和行动引发的化石能源投资意愿低迷，以及可再生能源比重上升，全球能源供应的稳定性将明显降低，甚至会频繁出现轻度供应短缺危机。

　　高昂的能源成本或将推动不少欧洲国家能源密集型企业减产、停产或转移生产。德国伊弗经济研究所工业经济中心负责人奥利弗·法尔克表示：“如果能源价格长期保持高位，一些行业将离开德国。”

　　能源转型远水难解近渴

　　不少专家认为，能源价格飙升将迫使欧洲加快能源转型，“被动”引入更多绿色能源，但能源转型眼下还难以根本化解能源危机。

　　2022年5月，欧盟宣布将在5年内增加2100亿欧元投资，支持加快绿色能源发展。该方案的内容包括推动节约能源、能源供应多元化、加速可再生能源发展等。这一方案还提出将欧盟2030年的能效目标从9%提高到13%，同时到2030年将可再生能源在欧盟能源消费中的比重从40%提高至45%。

　　英国《经济学人》刊文表示，大多数国家在2023年将采取措施，短期内加大针对传统化石能源的投资，以确保能源供应安全，同时采取长期措施，调整国家主导的产业政策，加速可再生能源的发展。

　　国际能源署日前发布的《2022年可再生能源》报告预计，受能源危机推动，各国可再生能源设备安装明显提速，未来5年全球装机增量有望接近此前5年增量的两倍，其中光伏发电和风能将贡献新增发电能力的90%以上。比罗尔表示，当下的能源危机或将成为全球能源系统更清洁、更安全的历史转折点。

　　不过，也有专家认为，尽管能源价格飙升在一定程度上能够加速向可再生能源转型，但就目前能源危机状况而言，短期内对传统能源的依赖有可能不降反增，绿色可再生能源“远水解不了近渴”。

　　（新华社北京1月10日电 记者宿亮、许苏培）

　　《光明日报》（ 2023年01月12日 12版）