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Ultralow Thermal Conductivity and Excellent Gamma-Radiation Resistance of a Novel Boron-Doped Silica Aerogel for Thermal Protection in Nuclear Applications

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作者
Lixia Yang,Jingyi Xie,Qiong Wu,Zhaofeng Chen,Shijie Chen,Longpan Yin,Xingyu Wang,Bin Hou,Huanjun Zhu,Sheng Cui
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:13 (11): 4535-4547 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.4c10529
摘要

Silica (SiO 2 ) aerogels have been considered as promising materials for thermal insulation. However, SiO 2 aerogels’ poor high-temperature stabilities, mechanical properties, and radiation resistances mean that their application as thermal insulation materials in nuclear power is greatly limited. In this study, novel boron (B)-doped SiO 2 aerogels were prepared by a sol–gel process, and the aerogel with a Si/B molar ratio of 1:0.15 was found to exhibit excellent radiation resistance and low thermal conductivity. Specifically, investigations of the microstructure and performance changes of the B-free SiO 2 aerogel and B-doped SiO 2 aerogels after exposure to gamma (γ)-radiation revealed that the latter were more resistant than the former to γ-radiation. However, B-doped SiO 2 aerogels containing low concentrations of B 3+ were damaged by high cumulative doses of γ-radiation, whereas those containing high concentrations of B 3+ tended to undergo oxidation and thus contained boron trioxide. A B-doped SiO 2 aerogel with a Si/B molar ratio of 1.00:0.15 exhibited excellent structural stability and γ-radiation resistance, even when exposed to a high cumulative dose of γ-radiation (1700 kGy). Moreover, this B-doped SiO 2 aerogel exhibited desirable thermal conductivity (0.0147 W/m K at 25 °C), hydrophobicity, and high temperature resistance (3 μm infrared transmittance of 39.52%), even after γ-irradiation. In summary, these findings suggest that B-doped SiO 2 aerogels warrant exploration for use as thermal insulation materials for pipelines in nuclear power plants. It provides valuable insights for the study of the radiation effects of aerogel materials in nuclear power applications.
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