中國(guó)粉體網(wǎng)訊 碳是自然界中最常見(jiàn)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(dǎo)體-超導(dǎo)體,、絕熱-超導(dǎo)熱、吸光-全透光等,，21世紀(jì)被稱(chēng)為是“超碳時(shí)代”,。
碳?xì)饽z（Carbon aerogel）是一類(lèi)具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多孔碳材料，最早由美國(guó)Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室制備出來(lái),，將間苯二酚-甲醛（RF）有機(jī)氣凝膠進(jìn)行高溫?zé)崃呀舛玫剑撎細(xì)饽z耐溫性高達(dá)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(wèn)題,，從而掀起了研究碳?xì)饽z的熱潮,。有人稱(chēng)碳?xì)饽z是碳家族的“核武器”,，剛?cè)岵?jì),，被研究者賦予了多種可能，應(yīng)用廣泛,，是很多領(lǐng)域的“佳偶良配”,。
碳?xì)饽z材料及掃描電鏡圖
來(lái)源：中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司
碳?xì)饽z的制備原料
常見(jiàn)的碳?xì)饽z前驅(qū)體有：碳納米材料,、有機(jī)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(fù)雜、制備周期長(zhǎng),、成本高,，且部分制備過(guò)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(jià)格低廉、無(wú)毒無(wú)害的原料作為前驅(qū)體制備碳?xì)饽z,、探索制備過(guò)程簡(jiǎn)易且微觀結(jié)構(gòu)可調(diào)的碳?xì)饽z成為研究的重點(diǎn),。
生物質(zhì)基碳?xì)饽z按碳源來(lái)源可分為：纖維素、木質(zhì)素,、全組分以及生物質(zhì)衍生物碳?xì)饽z。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?xì)饽z是生物質(zhì)基碳?xì)饽z制備的常用方法,。生物質(zhì)衍生的碳?xì)饽z不僅顯示出良好的電導(dǎo)率、環(huán)境穩(wěn)定性,、低成本和制備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
碳?xì)饽z的應(yīng)用
碳?xì)饽z因其獨(dú)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(xué)穩(wěn)定性、高電導(dǎo)率,、低熱導(dǎo)率等優(yōu)異特性，且具有化學(xué)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(jī)溶劑吸附等污水處理領(lǐng)域得到重要應(yīng)用,。不僅如此，碳?xì)饽z還具有導(dǎo)電性,，可用于壓力傳感器,、超級(jí)電容器,、電磁屏蔽、電催化和鋰電池等領(lǐng)域。
超級(jí)電容器
目前用作超級(jí)電容器電極的材料多種多樣,，如碳基化合物、金屬氧化物,、導(dǎo)電聚合物等,。與這些材料相比,，碳?xì)饽z具有三個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)：①比表面積大，這意味著它有更多的反應(yīng)活性位點(diǎn),；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?xì)饽z可以通過(guò)改變反應(yīng)條件（催化劑濃度、反應(yīng)物濃度等）進(jìn)行孔徑控制,；③較高的電化學(xué)穩(wěn)定性和電導(dǎo)率。
環(huán)境吸附材料
碳?xì)饽z微孔結(jié)構(gòu)豐富，具備很強(qiáng)的天然吸附能力。經(jīng)過(guò)表面處理后,，碳?xì)饽z可以成為一種新型環(huán)境保護(hù)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(fù)極中引入碳?xì)饽z（稱(chēng)為鉛碳電池）可減少負(fù)極的硫酸鹽化,，增強(qiáng)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(zhǎng)循環(huán)壽命,，提高儲(chǔ)能性能,。
燃料電池
碳?xì)饽z及其復(fù)合材料因具有比表面積大,、電化學(xué)性能穩(wěn)定以及導(dǎo)電性等特點(diǎn),，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?xì)饽z可提高了鋰離子電池的循環(huán)性能和充放電能力。目前碳?xì)饽z在鋰離子電池中的應(yīng)用主要集中在兩個(gè)方面：其一作為鋰離子電池的導(dǎo)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(dǎo)電性和耐腐蝕性,，同時(shí)減小Pt金屬顆粒凝聚和燒結(jié)趨勢(shì),。
生物醫(yī)療
具有高孔隙率、生物機(jī)體相容性及可生物降解特性,，因而在醫(yī)學(xué)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(dān)載量，是低毒高效的胃腸外給藥體系,。
儲(chǔ)氫材料
金屬摻雜的碳?xì)饽z能把儲(chǔ)存的氫分子分解為氫原子,，使更多的氫進(jìn)入到材料的孔道結(jié)構(gòu)中而沒(méi)有爆炸風(fēng)險(xiǎn),，從而提高儲(chǔ)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?xì)饽z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(dòng)機(jī)燃燒室和導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管,。
小結(jié)
氣凝膠從發(fā)現(xiàn)至今已經(jīng)經(jīng)歷過(guò)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(jì),，截至2020年我國(guó)氣凝膠制品需求量為14.7萬(wàn)噸,，同比增長(zhǎng)20.88%,，氣凝膠材料需求量為10.3萬(wàn)噸,，同比增長(zhǎng)28.43%,。而碳?xì)饽z及其衍生物作為氣凝膠市場(chǎng)的重要組成部分，已經(jīng)成為一種業(yè)界重點(diǎn)發(fā)展的新型氣凝膠材料,，具有廣闊的市場(chǎng)前景。
參考資料：
江雯釗.纖維素/氧化石墨烯碳?xì)饽z的制備與性能
黃舜天等.碳?xì)饽z在電化學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究進(jìn)展
楊鷙.碳?xì)饽z及其復(fù)合材料的制備與應(yīng)用
張洪武等.綠色節(jié)能背景下碳?xì)饽z的發(fā)展及應(yīng)用
于照亮等.碳?xì)饽z軍事應(yīng)用技術(shù)研究進(jìn)展
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）
注：圖片非商業(yè)用途,，存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除！
