中國粉體網(wǎng)訊 碳是自然界中最常見的元素之一，而碳材料幾乎包括了地球上所有物質(zhì)所具有的性質(zhì)，如最硬-最軟、絕緣體-半導體-超導體、絕熱-超導熱、吸光-全透光等，21世紀被稱為是“超碳時代”。
碳氣凝膠（Carbon aerogel）是一類具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多孔碳材料，最早由美國Lawrence Livermore國家實驗室制備出來，將間苯二酚-甲醛（RF）有機氣凝膠進行高溫熱裂解而得到，該碳氣凝膠耐溫性高達3000℃（在惰性和真空氛圍下），解決了常規(guī)氣凝膠熱穩(wěn)定性差的問題，從而掀起了研究碳氣凝膠的熱潮。有人稱碳氣凝膠是碳家族的“核武器”，剛?cè)岵谎芯空哔x予了多種可能，應(yīng)用廣泛，是很多領(lǐng)域的“佳偶良配”。
碳氣凝膠材料及掃描電鏡圖
來源：中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司
碳氣凝膠的制備原料
常見的碳氣凝膠前驅(qū)體有：碳納米材料、有機高分子材料和生物質(zhì)材料。
目前多以間苯二酚/甲醛、石墨烯或碳納米管等為原材料,不僅制備工藝復雜、制備周期長、成本高，且部分制備過程涉及有毒反應(yīng)，極大地限制了其在各領(lǐng)域的應(yīng)用。因而，探尋可再生、價格低廉、無毒無害的原料作為前驅(qū)體制備碳氣凝膠、探索制備過程簡易且微觀結(jié)構(gòu)可調(diào)的碳氣凝膠成為研究的重點。
生物質(zhì)基碳氣凝膠按碳源來源可分為：纖維素、木質(zhì)素、全組分以及生物質(zhì)衍生物碳氣凝膠。采用溶膠－凝膠法得到前驅(qū)體凝膠，再經(jīng)溶劑交換和干燥處理得到氣凝膠，最后經(jīng)碳化（活化）獲得碳氣凝膠是生物質(zhì)基碳氣凝膠制備的常用方法。生物質(zhì)衍生的碳氣凝膠不僅顯示出良好的電導率、環(huán)境穩(wěn)定性、低成本和制備簡單等優(yōu)點。
碳氣凝膠的應(yīng)用
碳氣凝膠因其獨特的結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出孔隙率高（80%-99%）、比表面積大、密度低、力學穩(wěn)定性、高電導率、低熱導率等優(yōu)異特性，且具有化學惰性和選擇性吸附特性，使其在油水分離、氣體吸附、染料吸附、有機溶劑吸附等污水處理領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。不僅如此，碳氣凝膠還具有導電性，可用于壓力傳感器、超級電容器、電磁屏蔽、電催化和鋰電池等領(lǐng)域。
超級電容器
目前用作超級電容器電極的材料多種多樣，如碳基化合物、金屬氧化物、導電聚合物等。與這些材料相比，碳氣凝膠具有三個明顯的優(yōu)勢：①比表面積大，這意味著它有更多的反應(yīng)活性位點；②孔徑可調(diào)，孔徑大小以及顆粒大小能夠影響離子傳輸速度，碳氣凝膠可以通過改變反應(yīng)條件（催化劑濃度、反應(yīng)物濃度等）進行孔徑控制；③較高的電化學穩(wěn)定性和電導率。
環(huán)境吸附材料
碳氣凝膠微孔結(jié)構(gòu)豐富，具備很強的天然吸附能力。經(jīng)過表面處理后，碳氣凝膠可以成為一種新型環(huán)境保護材料，可用于土壤改良、水凈化、空氣凈化等。
鉛酸電池
在鉛酸電池負極中引入碳氣凝膠（稱為鉛碳電池）可減少負極的硫酸鹽化，增強電荷接受能力，可降低充電電壓，從而提高效率并減少正極板的腐蝕延長循環(huán)壽命，提高儲能性能。
燃料電池
碳氣凝膠及其復合材料因具有比表面積大、電化學性能穩(wěn)定以及導電性等特點，在燃料電池中主要被作為電催化劑的載體或直接作為電催化劑。
鋰離子電池
碳氣凝膠可提高了鋰離子電池的循環(huán)性能和充放電能力。目前碳氣凝膠在鋰離子電池中的應(yīng)用主要集中在兩個方面：其一作為鋰離子電池的導電劑；其二作為鋰離子電池的電極材料。
催化劑載體
高比表面積、高孔隙率、低密度且穩(wěn)定性較好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是催化劑載體的最佳材料之一。用作質(zhì)子交換膜電池的Pt催化劑載體，能夠增加催化劑導電性和耐腐蝕性，同時減小Pt金屬顆粒凝聚和燒結(jié)趨勢。
生物醫(yī)療
具有高孔隙率、生物機體相容性及可生物降解特性，因而在醫(yī)學領(lǐng)域具有廣泛用途，可應(yīng)用于診斷劑、人造組織、人造器官、器官組件等。特別適用于藥物控制釋放體系，可獲得很高的藥物擔載量，是低毒高效的胃腸外給藥體系。
儲氫材料
金屬摻雜的碳氣凝膠能把儲存的氫分子分解為氫原子，使更多的氫進入到材料的孔道結(jié)構(gòu)中而沒有爆炸風險，從而提高儲氫量。
軍事及航天領(lǐng)域
席嘉彬研究了石墨烯氣凝膠膜的電磁屏蔽性能，發(fā)現(xiàn)其膨脹程度越大，電磁屏蔽性能越好。且碳氣凝膠極有潛力作為新一代耐超高溫的高性能隔熱材料，應(yīng)用于高超聲速飛行器的超燃沖壓發(fā)動機燃燒室和導彈固體火箭發(fā)動機噴管。
小結(jié)
氣凝膠從發(fā)現(xiàn)至今已經(jīng)經(jīng)歷過三次產(chǎn)業(yè)化，目前正處在第四次產(chǎn)業(yè)化浪潮的快速發(fā)展中。據(jù)統(tǒng)計，截至2020年我國氣凝膠制品需求量為14.7萬噸，同比增長20.88%，氣凝膠材料需求量為10.3萬噸，同比增長28.43%。而碳氣凝膠及其衍生物作為氣凝膠市場的重要組成部分，已經(jīng)成為一種業(yè)界重點發(fā)展的新型氣凝膠材料，具有廣闊的市場前景。
參考資料：
江雯釗.纖維素/氧化石墨烯碳氣凝膠的制備與性能
黃舜天等.碳氣凝膠在電化學領(lǐng)域中的應(yīng)用研究進展
楊鷙.碳氣凝膠及其復合材料的制備與應(yīng)用
張洪武等.綠色節(jié)能背景下碳氣凝膠的發(fā)展及應(yīng)用
于照亮等.碳氣凝膠軍事應(yīng)用技術(shù)研究進展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）
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