CN115140772B - 一种VO2-SiO2复合气凝胶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种VO2‑SiO2复合气凝胶的制备方法，属于新材料及节能环保技术领域。一种VO2‑SiO2复合气凝胶的制备方法，以工业水玻璃为硅源，五氧化二钒为钒源制备复合凝胶块，然后通过溶剂热反应和超临界干燥工艺原位合成VO2‑SiO2复合气凝胶材料，所得VO2‑SiO2复合气凝胶整体具有多孔网络结构，多孔网络结构中负载M相VO2纳米棒状晶粒。本发明所制备的VO2‑SiO2复合气凝胶不但具有高孔体积、高比表面积和低热导率特点，而且复合气凝胶多孔网络结构中因镶嵌有较高含量的M相VO2纳米棒而具有理想的热致变色和热致相变调光、调温功能。

Description

一种VO2-SiO2复合气凝胶的制备方法
技术领域
本发明涉及一种VO2-SiO2复合气凝胶的制备方法，属于新材料及节能环保技术领域。
背景技术
进入21世纪以来，全球科技迅速发展，与此同时，全球变暖和温室效应也日益严重，能源危机成为了可持续发展的重要阻碍。在日益剧增的能源消耗中，建筑物消耗占总量的40％以上。窗户作为建筑物采光的主要途径，往往伴随着巨大的热量传输。目前，通过窗户的能量损失占建筑物总能源消耗的一半以上。因此，构建可以动态调节透过率控制太阳光辐射传输的智能节能窗对于节能减排具有重要意义。
VO2是一种特殊的金属氧化物，在68℃下可发生单斜晶相至金红石相的可逆转变，并伴随着半导体态下的高近红外透过率向金属态下的低近红外透过率的转变。由于其这一独特的性质，VO2在热致变色智能窗领域具有潜在的应用前景。但VO2实际应用中存在易氧化问题，另外，VO2的可见光透过率和太阳光调制能力有待于进一步提高；而且，从节能角度考虑，智能窗本身的隔热保温能力也很重要。SiO2气凝胶是一种具有高孔隙率、高比表面积和低热导率的特殊的多孔材料，在保温隔热领域具有广泛的应用前景。将VO2与SiO2气凝胶复合，有望获得具有高效节能效果的智能窗，然而，关于VO2-SiO2复合气凝胶的制备研究，目前还鲜有报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种VO2-SiO2复合气凝胶，所述VO2-SiO2复合气凝胶整体具有多孔网络结构，复合气凝胶比表面积为200～650m2/g，孔体积为1.0～3.5cm3/g，平均孔径5～30nm，热导率0.01～0.05W/m·K；复合气凝胶多孔网络结构中负载M相VO2(M)纳米棒状晶粒，复合气凝胶具有热致相变调光功能。本发明所述及的VO2-SiO2复合气凝胶同时具有多孔气凝胶的低热导率特点和VO2粒子的热致相变调光性能，因此，基于所述VO2-SiO2复合气凝胶的智能窗不仅具有智能调控太阳光功能，而且还具有较好的隔热保温功能，因而，能够减少因空调等制冷和采暖导致的能源消耗和温室气体排放，对于建筑玻璃窗和汽车玻璃节能减排具有重要意义。
一种VO2-SiO2复合气凝胶的制备方法，以工业水玻璃为硅源，五氧化二钒为钒源制备复合凝胶块，然后通过溶剂热反应和超临界干燥工艺原位合成VO2-SiO2复合气凝胶材料，所得VO2-SiO2复合气凝胶整体具有多孔网络结构，多孔网络结构中负载M相VO2纳米棒状晶粒，
其中，所述超临界干燥工艺为：先将溶剂热反应后的凝胶块置于无水乙醇中进行陈化处理，陈化后的胶块进行CO2超临界干燥处理，干燥压力设定为8～11MPa，升温速率为1～5℃/min，在35～55℃下干燥3～10h，得到VO2-SiO2复合气凝胶。
进一步地，将溶剂热反应后的复合凝胶块置于无水乙醇中，于20～60℃下陈化处理6～72h。
本发明所述及的VO2-SiO2复合气凝胶的制备方法为原位合成/超临界干燥工艺法，原位合成制备法中涉及了利用阳离子交换法配制硅酸溶液，再制备混合溶胶和凝胶，之后再通过溶剂热反应沉积和在溶剂中进行陈化以及超临界干燥步骤而获得VO2-SiO2复合气凝胶材料。主要过程为：以工业水玻璃为硅源，五氧化二钒为钒源，首先通过阳离子交换法制备硅酸溶液，采用溶胶-凝胶法制备复合凝胶，然后通过溶剂热反应和超临界干燥工艺合成VO2-SiO2复合气凝胶材料。
本发明所述方法制得的VO2-SiO2复合气凝胶整体具有多孔网络结构，复合气凝胶比表面积为200～650m2/g，孔体积为1.0～3.5cm3/g，平均孔径5～30nm，热导率0.01～0.05W/m·K；复合气凝胶多孔网络结构中负载M相VO2纳米棒状晶粒，所述复合气凝胶具有热致相变调光功能。
进一步地，所述M相VO2纳米棒状晶粒纳米棒长度为20～350nm，纳米棒平均直径为5～20nm。
本发明所述VO2-SiO2复合气凝胶的制备方法中，优选所述复合凝胶块按下述方法制得：搅拌条件下，在硅酸溶液于中加入五氧化二钒与二水合草酸，搅拌混合均匀，配制混合溶胶；将混合溶胶进行陈化处理，直至使其转变为凝胶，其中，所述硅酸溶液与五氧化二钒的比例为V/Si摩尔比为0.05～10:1，五氧化二钒与二水合草酸的比例为摩尔比0.1～1:1。
进一步地，所述硅酸溶液和五氧化二钒的比例为V/Si摩尔比为0.1～8:1；五氧化二钒与二水合草酸的摩尔比为0.2～1:1。
进一步地，所述硅酸溶液按下述方法制得：将模数为3.0～4.0的工业水玻璃按V水玻璃:V去离子水＝1:2～1:12用去离子水稀释，然后经过苯乙烯系阳离子交换树脂进行离子交换，得到pH＝2～5的硅酸溶液。
进一步地，所述复合溶胶陈化处理为：将复合溶胶于20～80℃下陈化处理0.5～72h，得复合凝胶块。
本发明所述VO2-SiO2复合气凝胶的制备方法中，优选所述溶剂热反应于反应釜内进行，具体如下：将复合凝胶块置于反应液中，并将其在220～260℃反应6～48h后洗涤，既得，
其中，所述反应液与胶块的体积比为0.5～5:1；所述反应液为无水乙醇与去离子水混合液，去离子水与无水乙醇体积比为0.1～10:1，优选为0.1～5:1。
进一步地，所述溶剂热反应于反应釜中进行，具体如下：将陈化处理后的复合凝胶块置于反应液中，并将其在220～260℃反应6～48小时后用洗涤溶剂将反应后的复合凝胶块洗涤1～3次，所述洗涤溶剂为去离子水或乙醇。
本发明所述VO2-SiO2复合气凝胶的制备方法中，优选所述方法还包括热处理步骤：将经超临界干燥所得VO2-SiO2复合气凝胶进行热处理，具体为：在N2或Ar气氛下进行热处理，升温速度为5～10℃/min，热处理温度为450～880℃，时间为1～5小时。
本发明的有益效果为：本发明的创造性在于采用原位溶胶-凝胶、溶剂热和超临界干燥相结合的工艺制备VO2-SiO2复合气凝胶，通过原位溶胶-凝胶和溶剂热相结合，可使B相VO2(B)晶粒均匀镶嵌于复合凝胶网络中，且经过超临界干燥和热处理工艺后，不但能够获得多孔的气凝胶网络结构，而且有利于B相VO2转变为M相VO2(M)，从而使所制备的VO2-SiO2复合气凝胶不但具有高孔体积、高比表面积特点，而且复合气凝胶多孔网络结构中因镶嵌有较高含量的M相VO2纳米棒而具有理想的热致变色和热致相变调光、调温功能。
本发明的先进性在于通过超临界干燥工艺获得多孔结构的VO2-SiO2复合气凝胶，所述VO2-SiO2复合气凝胶不但具有低热导率和优异的保温隔热性能；而且，由于SiO2气凝胶的增透作用和VO2纳米粒子在相变前后近红外光透过率不同，所制备的VO2-SiO2复合气凝胶具有较高的可见光透过率和太阳光调制能力。所述VO2-SiO2复合气凝胶兼具低热导率、保温隔热和热致相变调光性能，节能效果突出，在智能节能窗领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例2所得VO2-SiO2复合气凝胶的TEM照片，由图1可以看出，所制备的复合气凝胶多孔网络中镶嵌有VO2纳米棒。
图2为实施例1～5所得VO2-SiO2复合气凝胶的XRD谱图，可以看出，所合成的VO2-SiO2复合气凝胶中的晶相主要为M相VO2(M)。
图3为玻璃表面涂有由实施例4所制备样品薄膜分别在20℃与90℃下的光谱透过率曲线，表现出较高的热致相变调光性能，与对比例1相比，实施例4表现出更好的热致相变调光性能。
图4为玻璃表面涂有由对比例1所制备样品薄膜分别在20℃与90℃下的光谱透过率曲线。
图5为玻璃表面涂有由对比例2所制备样品薄膜分别在20℃与90℃下的光谱透过率曲线。可以看出，对比例2不具备热致相变调光能力。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
下面实施例中，对制得的VO2-SiO2复合气凝胶的性能测定如下：
(1)利用日本岛津公司型号为XRD-7000S的X射线衍射仪表征VO2-SiO2复合气凝胶的晶相组成，采用Cu Kα射线，λ＝0.15406nm，扫描速率为5°/min，扫描步长0.01°，扫描范围2θ为10°～70°。
(2)采用透射电子显微镜(JEM-2100(UHR)，日本电子)对所制备的介孔VO2-SiO2复合气凝胶材料进行表面形貌分析。
(3)利用UV-vis-NIR分光光度计(Lambda 950，Perkin Elmer)测试复合气凝胶粒子分散液在玻璃表面涂膜后分别在20℃与90℃下250～2500nm波段的透射光谱。
为了评估复合薄膜热致变色能力，积分可见光透过率Tlum(380nm≤λ≤780nm)和整个太阳光透过率Tsol(300nm≤λ≤2500nm)，分别由以下方程式计算得出：
式中，T(λ)表示特定波长λ处的透射率，表示人眼近视视觉的标准发光效率函数，/>表示空气质量1.5(对应于高于地平线37°的太阳)的太阳辐照度光谱。太阳光调制能力ΔTsol由下面公式得出：
ΔTlum＝Tlum(90℃)-Tlum(20℃) (3)
ΔTsol＝Tsol(90℃)-Tsol(20℃) (4)
具体实施方式之一：
一种VO2-SiO2复合气凝胶的制备方法，包括下述工艺步骤：
①将模数为3.0～4.0的工业水玻璃按V水玻璃∶V去离子水＝1∶2～1∶12用去离子水稀释，然后经过苯乙烯系阳离子交换树脂进行离子交换，得到pH＝2～5的硅酸；
②量取一定体积的硅酸溶液，在搅拌条件下，加入一定量的五氧化二钒和二水合草酸，搅拌混合均匀，配制混合溶胶；
③将混合溶胶置于20～80℃温度条件下进行陈化处理，直至使其转变为凝胶；
④将复合凝胶块置于乙醇/水溶液中，于20～60℃下陈化处理0.5～48h(也可不进行该步骤)；
⑤选取适当的溶剂，配制反应液，所述反应液与胶块的体积比为0.5～5:1；所述反应液为无水乙醇与去离子水混合液，去离子水与无水乙醇体积比为0.1～10:1，优选为0.1～5:1；将步骤③或④中陈化处理后的复合凝胶块置于所配制的反应液中并将其在220～260℃下反应6～48小时；
⑥用水或乙醇溶剂将反应后的复合胶块洗涤1～3次；
⑦将复合凝胶块置于无水乙醇中，于20～60℃下陈化处理6～72h，优选20～60℃下陈化处理12～72h；
⑧对陈化后的湿凝胶进行CO2超临界干燥处理，干燥压力设定为8～11MPa，升温速率为1～5℃/min，在35～55℃下干燥3～10h。
⑨将经超临界干燥所得复合气凝胶在N2气氛下进行热处理，升温速度为5～10℃/min，热处理温度为450～880℃，时间为1～5小时，得到VO2-SiO2复合气凝胶。
上述技术方案中，所述步骤③中所述硅酸溶液和五氧化二钒的加入量依据为V/Si摩尔比为0.05～10:1，优选0.1～8:1；
进一步地，五氧化二钒与二水合草酸的比例为摩尔比0.1～1:1。
本发明提供的VO2/SiO2复合气凝胶具有可见光透过、热致相变调光性能和隔热保温性能。
实施例1
①通过离子交换法制备硅酸溶液
量取60mL模数为3.0的工业级水玻璃，按V水玻璃:V去离子水＝1:4用去离子水稀释，然后经苯乙烯系阳离子交换树脂进行离子交换，得到pH＝2～3的硅酸溶液。
②配制混合溶胶及凝胶
在搅拌条件下，称取硅酸溶液40mL、五氧化二钒0.3410g、二水合草酸0.4729g依次混合，配制混合溶胶；将混合溶胶置于60℃水浴中，使其凝胶。
③溶剂热反应
量取15mL乙醇、45mL去离子水，配成反应液，将复合凝胶置于反应液中，在240℃反应10h，完成溶剂热反应。
④复合凝胶陈化和超临界干燥
将溶剂热反应后的复合凝胶胶块用乙醇进行洗涤3次后转移至烧杯中，在无水乙醇中陈化48h。
对陈化后的胶块进行CO2超临界干燥处理，干燥压力设定为10MPa，在45℃下干燥360min，得到复合气凝胶。
⑤复合气凝胶的热处理
将步骤④制备的复合气凝胶在氮气气氛条件下680℃保温180min，升温速率10℃/min，得到VO2-SiO2复合气凝胶。
经测定，该方法制备的VO2-SiO2复合气凝胶中主晶相为VO2(M)，其比表面积为359m2/g，孔体积为2.15cm3/g，平均孔径为11.24nm，热导率为0.0307W/m·K；复合气凝胶薄膜在20℃下可见光透过率为42.35％，加热到90℃时可见光透过率为44.12％，太阳光调制能力为10.19％。
实施例2
①通过离子交换法制备硅酸溶液同实施例1中步骤①。
②配制混合溶胶及凝胶
在搅拌条件下，称取硅酸溶液40mL、五氧化二钒0.4547g、二水合草酸0.6306g依次混合，配制混合溶胶；将混合溶胶置于60℃水浴中，使其凝胶。
③溶剂热反应过程同实施例1中步骤③。
④复合凝胶陈化和超临界干燥过程同实施例1中步骤④。
⑤复合气凝胶热处理过程同实施例1中步骤⑤。
经测定，该方法制备的VO2-SiO2复合气凝胶中主晶相为VO2(M)，其比表面积为312m2/g，孔体积为2.13cm3/g，平均孔径为11.86nm，热导率为0.0325W/m·K；复合气凝胶薄膜在20℃下可见光透过率为42.07％，加热到90℃时可见光透过率为44.96％，太阳光调制能力为11.70％。
实施例3
①通过离子交换法制备硅酸溶液同实施例1中步骤①。
②配制混合溶胶及凝胶
在搅拌条件下，称取硅酸溶液40mL、五氧化二钒2.7282g、二水合草酸3.7836g依次混合，配制混合溶胶；将混合溶胶置于60℃水浴中，使其凝胶。
③溶剂热反应过程同实施例1中步骤③。
④复合凝胶陈化和超临界干燥过程同实施例1中步骤④。
⑤复合气凝胶热处理过程同实施例1中步骤⑤。
经测定，该方法制备的VO2-SiO2复合气凝胶中主晶相为VO2(M)，其比表面积为292m2/g，孔体积为1.60cm3/g，平均孔径为16.58nm，热导率为0.0404W/m·K；复合气凝胶薄膜在20℃下可见光透过率为40.39％，加热到90℃时可见光透过率为41.83％，太阳光调制能力为10.08％。
实施例4
①通过离子交换法制备硅酸溶液同实施例1中步骤①。
②配制混合溶胶及凝胶
在搅拌条件下，称取硅酸溶液40mL、五氧化二钒8.1846g、二水合草酸11.3508g依次混合，配制混合溶胶；将混合溶胶置于60℃水浴中，使其凝胶。
③溶剂热反应过程同实施例1中步骤③。
④复合凝胶陈化和超临界干燥过程同实施例1中步骤④。
⑤复合气凝胶热处理过程同实施例1中步骤⑤。
经测定，该方法制备的VO2/SiO2复合气凝胶中主晶相为VO2(M)，其比表面积为290m2/g，孔体积为1.56cm3/g，平均孔径为19.00nm，热导率为0.0398W/m·K；复合气凝胶薄膜在20℃下可见光透过率为44.38％，加热到90℃时可见光透过率为48.87％，太阳光调制能力为12.84％。
实施例5
①通过离子交换法制备硅酸溶液同实施例1中步骤①。
②配制混合溶胶及凝胶
在搅拌条件下，称取硅酸溶液40mL、五氧化二钒10.9128g、二水合草酸15.1344g依次混合，配制混合溶胶；将混合溶胶置于60℃水浴中，使其凝胶。
③溶剂热反应过程同实施例1中步骤③。
④复合凝胶陈化和超临界干燥过程同实施例1中步骤④。
⑤复合气凝胶热处理过程同实施例1中步骤⑤。
经测定，该方法制备的VO2-SiO2复合气凝胶中主晶相为VO2(M)，其比表面积为252m2/g，孔体积为1.44cm3/g，平均孔径为16.36nm，热导率为0.0381W/m·K；复合气凝胶薄膜在20℃下可见光透过率为44.22％，加热到90℃时可见光透过率为48.32％，太阳光调制能力为9.66％。
对比例1制备VO2纳米粒子
五氧化二钒和二水合草酸以1:2摩尔比例均匀分散于100mL体积比为3：1的去离子水/乙醇混合液中，获得反应前驱体溶液。将反应的前驱体溶液移至水热反应器内，在240℃下进行10h的溶剂热反应。反应产物分别用去离子水和无水乙醇超声清洗三次，于真空干燥箱内60℃干燥12h，最后在管式炉中N2保护下进行3h的680℃热处理，获得VO2纳米粒子。
实验结果表明，由上述工艺制备VO2纳米粒子分散后制备的薄膜在20℃下可见光透过率为48.93％，加热到90℃时可见光透过率为53.68％，太阳光调制能力为7.23％，但VO2纳米粒子不具备气凝胶的轻质多孔结构特点，且不具备低热导率特点。
对比例2制备纯SiO2气凝胶
量取60mL模数为3.0的工业级水玻璃，与160mL去离子水混合均匀，然后经苯乙烯系阳离子交换树脂进行离子交换，得到pH＝2～3的硅酸溶液；取40mL硅酸溶液，经过60℃陈化处理获得SiO2凝胶；将胶块转移至200mLPPL反应釜中，量取15mL乙醇、45mL去离子水，配成反应液，在240℃反应10h。将溶剂热反应后的凝胶胶块转移至烧杯中，在无水乙醇中陈化48h；对陈化后的胶块进行CO2超临界干燥处理，干燥压力设定为10MPa，在45℃下干燥360min，得到SiO2气凝胶；气凝胶在氮气气氛条件下进行热处理，680℃保温180min，升温速率10℃/min。
实验结果表明，由上述工艺制备的SiO2气凝胶分散后制备的薄膜具有较高的透过率，20℃下可见光透过率为94.26％，加热到90℃时可见光透过率为93.93％，太阳光调制能力为0.18％，不具有热致相变调光性能。
对比例3
①制备硅酸溶液过程同实施例1中步骤①；
②配制混合溶胶及凝胶
在搅拌条件下，称取硅酸溶液40mL、五氧化二钒1.3641g、二水合草酸1.8918g依次混合，配制混合溶胶；将混合溶胶置于60℃水浴中，使其凝胶。
③溶剂热反应过程同实施例1中步骤③
④复合凝胶陈化和超临界干燥
将溶剂热反应后的复合凝胶胶块用乙醇进行洗涤3次后转移至烧杯中，在无水乙醇中陈化48h。
对陈化后的胶块进行乙醇高温超临界干燥处理，控制干燥压力在10MPa，在290℃下干燥360min，得到复合气凝胶。
⑤复合气凝胶热处理过程同实施例1中步骤⑤。
经测定，该方法制备的VO2-SiO2复合气凝胶中主晶相为V2O3，不含有M相VO2，不具备热致相变调光性能。

Claims (7)

1.一种VO2-SiO2复合气凝胶的制备方法，其特征在于：以工业水玻璃为硅源，五氧化二钒为钒源制备复合凝胶块，然后通过溶剂热反应和超临界干燥工艺原位合成VO2-SiO2复合气凝胶材料，所得VO2-SiO2复合气凝胶整体具有多孔网络结构，多孔网络结构中负载M相VO2纳米棒状晶粒，
其中，所述复合凝胶块按下述方法制得：搅拌条件下，在硅酸溶液中加入五氧化二钒与二水合草酸，搅拌混合均匀，配制混合溶胶；将混合溶胶进行陈化处理，直至使其转变为凝胶，其中，所述硅酸溶液与五氧化二钒的比例为V/Si摩尔比为0.05～10:1，五氧化二钒与二水合草酸的比例为摩尔比0.1～1:1；
所述硅酸溶液按下述方法制得：将模数为3.0～4.0的工业水玻璃按V水玻璃:V去离子水＝1:2～1:12用去离子水稀释，然后经过苯乙烯系阳离子交换树脂进行离子交换，得到pH＝2～5的硅酸溶液；
所述超临界干燥工艺为：先将溶剂热反应后的凝胶块置于无水乙醇中进行陈化处理，陈化后的胶块进行CO2超临界干燥处理，干燥压力设定为8～11MPa，升温速率为1～5℃/min，在35～55℃下干燥3～10h，得到VO2-SiO2复合气凝胶；
所述方法还包括热处理步骤：将经超临界干燥所得VO2-SiO2复合气凝胶进行热处理，具体为：在N2或Ar气氛下进行热处理，升温速度为5～10℃/min，热处理温度为450～880℃，时间为1～5小时。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述VO2-SiO2复合气凝胶整体具有多孔网络结构，复合气凝胶比表面积为200～650m2/g，孔体积为1.0～3.5cm3/g，平均孔径5～30nm，热导率0.01～0.05W/m·K；复合气凝胶多孔网络结构中负载M相VO2纳米棒状晶粒，所述复合气凝胶具有热致相变调光功能。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述M相VO2纳米棒状晶粒纳米棒长度为20～350nm，纳米棒平均直径为5～20nm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述陈化处理为：将复合溶胶于20～80℃下静置陈化处理0.5～72h，得复合凝胶块。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述溶剂热反应于反应釜内进行，具体如下：将复合凝胶块置于反应液中，并将其在220～260℃反应6～48h后洗涤，既得，
其中，所述反应液与胶块的体积比为0.5～5:1；所述反应液为无水乙醇与去离子水混合液，去离子水与无水乙醇体积比为0.1～10:1。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：去离子水与无水乙醇体积比为0.1～5:1。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将溶剂热反应后的复合凝胶块置于无水乙醇中，于20～60℃下进行陈化处理6～72h。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102091589A (zh) * 2010-12-20 2011-06-15 大连工业大学 SiO2-WO3复合气凝胶及其制备方法
CN106186035A (zh) * 2016-07-05 2016-12-07 南京工业大学 一种块状La2O3‑SiO2复合气凝胶的制备方法
CN113502106A (zh) * 2021-07-30 2021-10-15 大连工业大学 一种VO2/SiO2气凝胶复合薄膜及其制备方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11279625B2 (en) * 2017-09-08 2022-03-22 Lg Chem, Ltd. Method of preparing metal oxide-silica composite aerogel and metal oxide-silica composite aerogel prepared by the same
EP3842384B1 (en) * 2019-12-23 2023-09-06 Fundación Tecnalia Research & Innovation Process for preparing waterglass-based silica aerogels and products thereof

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102091589A (zh) * 2010-12-20 2011-06-15 大连工业大学 SiO2-WO3复合气凝胶及其制备方法
CN106186035A (zh) * 2016-07-05 2016-12-07 南京工业大学 一种块状La2O3‑SiO2复合气凝胶的制备方法
CN113502106A (zh) * 2021-07-30 2021-10-15 大连工业大学 一种VO2/SiO2气凝胶复合薄膜及其制备方法

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