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所具有的性質,，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)絡結構的多孔碳材料,，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”，剛柔并濟,，被研究者賦予了多種可能，應用廣泛,，是很多領域的“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體有：碳納米材料,、有機高分子材料和生物質材料。

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,，極大地限制了其在各領域的應用。因而,，探尋可再生,、價格低廉、無毒無害的原料作為前驅體制備碳氣凝膠,、探索制備過程簡易且微觀結構可調的碳氣凝膠成為研究的重點,。

生物質基碳氣凝膠按碳源來源可分為：纖維素、木質素,、全組分以及生物質衍生物碳氣凝膠,。采用溶膠－凝膠法得到前驅體凝膠，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基碳氣凝膠制備的常用方法,。生物質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,。

碳氣凝膠的應用

碳氣凝膠因其獨特的結構而表現(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域得到重要應用,。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活性位點；②孔徑可調,，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條件（催化劑濃度、反應物濃度等）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

碳氣凝膠微孔結構豐富，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)絡結構是催化劑載體的最佳材料之一,。用作質子交換膜電池的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)學領域具有廣泛用途,，可應用于診斷劑,、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構中而沒有爆炸風險,，從而提高儲氫量,。

軍事及航天領域

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

氣凝膠從發(fā)現(xiàn)至今已經(jīng)經(jīng)歷過三次產業(yè)化,，目前正處在第四次產業(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域中的應用研究進展

楊鷙.碳氣凝膠及其復合材料的制備與應用

張洪武等.綠色節(jié)能背景下碳氣凝膠的發(fā)展及應用

于照亮等.碳氣凝膠軍事應用技術研究進展

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）

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