一文了解碳气凝胶及其应用

【颗粒在线讯】  碳是自然界中最常见的元素之一，而碳材料几乎包括了地球上所有物质所具有的性质，如最硬-最软、绝缘体-半导体-超导体、绝热-超导热、吸光-全透光等，21世纪被称为是“超碳时代”。

碳气凝胶（Carbon aerogel）是一类具有三维网络结构的多孔碳材料，最早由美国Lawrence Livermore国家实验室制备出来，将间苯二酚-甲醛（RF）有机气凝胶进行高温热裂解而得到，该碳气凝胶耐温性高达3000℃（在惰性和真空氛围下），解决了常规气凝胶热稳定性差的问题，从而掀起了研究碳气凝胶的热潮。有人称碳气凝胶是碳家族的“核武器”，刚柔并济，被研究者赋予了多种可能，应用广泛，是很多领域的“佳偶良配”。

碳气凝胶材料及扫描电镜图

来源：中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司

1. 碳气凝胶的制备原料

常见的碳气凝胶前驱体有：碳纳米材料、有机高分子材料和生物质材料。

目前多以间苯二酚/甲醛、石墨烯或碳纳米管等为原材料,不仅制备工艺复杂、制备周期长、成本高，且部分制备过程涉及有毒反应，极大地限制了其在各领域的应用。因而，探寻可再生、价格低廉、无毒无害的原料作为前驱体制备碳气凝胶、探索制备过程简易且微观结构可调的碳气凝胶成为研究的重点。

生物质基碳气凝胶按碳源来源可分为：纤维素、木质素、全组分以及生物质衍生物碳气凝胶。采用溶胶－凝胶法得到前驱体凝胶，再经溶剂交换和干燥处理得到气凝胶，最后经碳化（活化）获得碳气凝胶是生物质基碳气凝胶制备的常用方法。生物质衍生的碳气凝胶不仅显示出良好的电导率、环境稳定性、低成本和制备简单等优点。

2. 碳气凝胶的应用

碳气凝胶因其独特的结构而表现出孔隙率高（80%-99%）、比表面积大、密度低、力学稳定性、高电导率、低热导率等优异特性，且具有化学惰性和选择性吸附特性，使其在油水分离、气体吸附、染料吸附、有机溶剂吸附等污水处理领域得到重要应用。不仅如此，碳气凝胶还具有导电性，可用于压力传感器、超级电容器、电磁屏蔽、电催化和锂电池等领域。

超级电容器

目前用作超级电容器电极的材料多种多样，如碳基化合物、金属氧化物、导电聚合物等。与这些材料相比，碳气凝胶具有三个明显的优势：①比表面积大，这意味着它有更多的反应活性位点；②孔径可调，孔径大小以及颗粒大小能够影响离子传输速度，碳气凝胶可以通过改变反应条件（催化剂浓度、反应物浓度等）进行孔径控制；③较高的电化学稳定性和电导率。

环境吸附材料

碳气凝胶微孔结构丰富，具备很强的天然吸附能力。经过表面处理后，碳气凝胶可以成为一种新型环境保护材料，可用于土壤改良、水净化、空气净化等。

铅酸电池

在铅酸电池负极中引入碳气凝胶（称为铅碳电池）可减少负极的硫酸盐化，增强电荷接受能力，可降低充电电压，从而提高效率并减少正极板的腐蚀延长循环寿命，提高储能性能。

燃料电池

碳气凝胶及其复合材料因具有比表面积大、电化学性能稳定以及导电性等特点，在燃料电池中主要被作为电催化剂的载体或直接作为电催化剂。

锂离子电池

碳气凝胶可提高了锂离子电池的循环性能和充放电能力。目前碳气凝胶在锂离子电池中的应用主要集中在两个方面：其一作为锂离子电池的导电剂；其二作为锂离子电池的电极材料。

催化剂载体

高比表面积、高孔隙率、低密度且稳定性较好的网络结构是催化剂载体的最佳材料之一。用作质子交换膜电池的Pt催化剂载体，能够增加催化剂导电性和耐腐蚀性，同时减小Pt金属颗粒凝聚和烧结趋势。

生物医疗

具有高孔隙率、生物机体相容性及可生物降解特性，因而在医学领域具有广泛用途，可应用于诊断剂、人造组织、人造器官、器官组件等。特别适用于药物控制释放体系，可获得很高的药物担载量，是低毒高效的胃肠外给药体系。

储氢材料

金属掺杂的碳气凝胶能把储存的氢分子分解为氢原子，使更多的氢进入到材料的孔道结构中而没有爆炸风险，从而提高储氢量。

军事及航天领域

席嘉彬研究了石墨烯气凝胶膜的电磁屏蔽性能，发现其膨胀程度越大，电磁屏蔽性能越好。且碳气凝胶极有潜力作为新一代耐超高温的高性能隔热材料，应用于高超声速飞行器的超燃冲压发动机燃烧室和导弹固体火箭发动机喷管。

小结

气凝胶从发现至今已经经历过三次产业化，目前正处在第四次产业化浪潮的快速发展中。据统计，截至2020年我国气凝胶制品需求量为14.7万吨，同比增长20.88%，气凝胶材料需求量为10.3万吨，同比增长28.43%。而碳气凝胶及其衍生物作为气凝胶市场的重要组成部分，已经成为一种业界重点发展的新型气凝胶材料，具有广阔的市场前景。

参考资料：

江雯钊.纤维素/氧化石墨烯碳气凝胶的制备与性能

黄舜天等.碳气凝胶在电化学领域中的应用研究进展

杨鸷.碳气凝胶及其复合材料的制备与应用

张洪武等.绿色节能背景下碳气凝胶的发展及应用

于照亮等.碳气凝胶军事应用技术研究进展

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