田星星 白琪俊 罗珊 吴朝艳
贵州航天乌江机电设备有限责任公司 563000
【摘要】碳气凝胶属于一种非晶体碳材料，制备来源多，同时也有各种合成路径。在本文中，分析了碳气凝胶的制备工艺，分析了在吸附、保温、催化、超级电容器、储能等领域中的研究进展。碳气凝胶具有良好的稳定性，同时其强度大、反应位点丰富，这就使得其成为了性能优越的催化剂载体，另外，碳气凝胶还有着其他有机气凝胶没有的优秀导电性能。
【关键词】绿色节能；背景；碳气凝胶；发展；应用
碳气凝胶（carbonaerogels，CAs）是一种三维多孔网状的非晶体碳材料，在电化学领域中有着广泛的应用。生物质基碳气凝胶因前体宽泛易得、含有丰富孔结构、自掺杂有其他原子3方面优势，在绿色节能领域有重要应用。在MarketResearch.biz研究中指出，2016年全球气凝胶年市场价值已达5.129亿美元，根据该增长速度计算，截止到2026年，我国的全球气凝胶年市场价值会到80多亿美元。作为气凝胶市场的组成之一，碳气凝胶成了当前业内重点关注的气凝胶材料。
一、碳气凝胶的制备
碳气凝胶制备首先要选择合适的前体，其中RF气凝胶是最常见和广泛使用的。在制备中，能够调节物料配比、改变催化体系、调整凝胶化时间等等调节其特性。在盐酸催化体系中，所制备的炭气凝胶呈现与碳酸钠催化不同的孔结构特征，具有微孔-大孔的阶层孔结构。使用不同分子质量的聚环氧乙烷对炭气凝胶骨架进行造孔发现盐酸催化体系中，随着PEG2000添加量的增加，炭气凝胶大孔孔径逐渐扩大，部分微孔转化为小尺寸介孔结构，形成微孔-介孔-大孔的阶层多孔结构，该系列碳气凝胶不同直径孔的体积分布如图1所示。
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1—0g；2—0.2g；3—0.4g；4—0.6g；5—0.8g
凝胶的干燥包括去除湿凝胶粒子间的分散相（水）和填充新分散相(气体)两步，常采用3种干燥方法，超临界干燥、冷冻干燥和常压干燥。最成熟的方法是超临界流体干燥技术，即对加压容器升温，使温度和压力超过干燥介质的临界点，介质变成超临界态的流体，表面张力不复存在，大大减弱分子间的相互作用力，之后将这种超临界流体从压力容器中缓慢释放，即可达到去除凝胶内剩余溶液而不改变凝胶结构的目的。冷冻干燥在生物基碳气凝胶干燥中最为常见，当处于负压和真空环境下时，能够升华凝胶水分子，同时进行大量处理，工艺简便。常压干燥就是在正常的大气压环境下将样品直接干燥，可以通过引入能大大降低溶剂表面张力的介质或提升凝胶本身强度来减少对孔结构的破坏。常见的溶剂有乙醇，丙酮、异丙醇等。为了克服常压干燥和碳化过程中的孔隙塌陷现象，Yang等引入了自牺牲的三聚氰胺甲醛(MF)作为制孔模板。合成策略如图2所示，固态的MF取代有机湿凝胶孔隙中的液态溶剂，缓解了毛细压力，防止了中孔在环境压力干燥过程中塌陷，然后在炭化过程中缓慢分解成气体。由此策略得到的MECA具有0.82cm3/g的孔体积和534m2/g的比表面积，平均孔径11nm。
二、研发和应用
（一）污水处理
碳气凝胶微孔包含着和丰富的结构，因此其天然吸附能力很强。在处理表面之后，碳气凝胶能够成为新型的环保材料。田秀秀以海藻酸钙为前体制备海藻酸钙碳气凝胶（CCA）。CCA对亚甲基蓝、甲基橙和油红O的吸附量分别是205.7、106.7、67.6mg/g；CCA对孔雀石绿、结晶紫、酸性品红和刚果红的吸附量分别达到7059、2390、6964、1476mg/g。油水分离实验探究中，CCA分别用15、18s将水上油和水下油吸附完全。PDMS-CA具有宏观大孔结构对原油、柴油、正己烷、花生油和机油的吸附容量是自身质量的3-10倍。
（二）相变保温基材
在高温的防护服和航天设备应用中，温度和传热控制尤为重要，CAs具有十分高效的高温隔热性能，从而在相变材料中得到了深度应用。非晶态CA限制了PA分子的晶态生长，因而整个材料具有良好的形态稳定性。PA/CSA的PCM负载量（82.2%）明显大于PA/CA（64.1%），这导致PA/CSA样品的熔化潜热（187.7J/g）显著高于PA/CA样品的熔化潜热（96.27J/g）。
（三）超级电容器
超级电容器根据工作原理分为双电层电容器(EDLCs)和法拉第赝电容器2种类型。前者的基本原理是一种静电吸引作用，后者的工作原理是电解质与电极表面之间发生的氧化还原反应。Alena等以RF气凝胶为前驱体在700-1100℃下制备了一系列CAs，比表面积在700-760m2/g，电导率随热解温度的升高而线性增加。在2A/g充放电电流下，基于该碳气凝胶的电极材料在硫酸中的比电容能达到100F/g。Dong等以西瓜皮为碳源。成功组装了由NiCo2S4/CA为正极，活化CA为负极组成的不对称超级电容器。该种不对称超级电容器的最大能量密度为33.8Wh/kg，功率密度约为800W/kg，电流密度为1.0A/g时10000次循环寿命为87.4%。在双电极系统中的NSCA基对称超级电容器的能量密度和功率密度分别为26.15Wh/kg和950W/kg，15000次循环后，该电极系统中比电容可保持98.44%。此外由此材料组装的柔性超级电容器（NPCA-MSC）具有25.6mF/cm2的比面积电容、0.78μWh/cm2的能量密度、超低的电容衰减（万次循环后仅1%）。这类生物质衍生碳气凝胶制备策略足以大大降低MSCs开发成本。
（四）其他应用
CAs也是一种性能优越的电磁屏蔽材料。以单位面密度的屏蔽效能（TASSE）作为参考指标，GAF单位面密度屏蔽效能高达10万dB·cm2/g。实验表明，其电磁屏蔽性能和膨胀程度有着正相关性，在多层结构中厚度方向的膨胀显著增强了材料的屏蔽效能。
CAs还可以解决未来的氢气安全储运。在CAs掺杂金属，能够将氢分子分解成氢原子，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。常温氢吸附测试表明，钯掺杂提高了单位比表面积的储氢质量分数。该碳气凝胶样品在92K、3.5MPa条件下的饱和储氢质量分数为3%，同时指出该材料的理论储氢质量分数可达到6%。
三、展望
综上所述，碳气凝胶是新兴的材料，其应用前景和范围都很广，甚至在多个产业中，都可能引领高端发展。在环保中，能够淡化海水、处理污水、吸附重金属离子等等，市场容量大。在节能保温中，也被广泛应用到航天、石油化工等行业。同时，碳气凝胶也是优秀的储能材料，能够打破国外在高端碳材料中的垄断局面。因此，我们必须要扩大碳气凝胶生产规模，控制材料成本，加速材料市场化，推动材料的广泛应用。
【参考文献】
[1]超盐环境下含氮碳气凝胶的制备及其在超级电容器中的应用[J].张璇,杨佳兴,金秋阳,佟明兴,周俊熹,高静,李国华.化工学报.2019(07).
[2]碳气凝胶在电化学领域中的应用研究进展[J].黄舜天,锁浩,崔升,郁可葳,苏杭,郑洪蛟.材料导报.2018(S1).
[3]碳气凝胶的制备及在水处理中的应用进展[J].窦丽花,王建家,罗娅君,魏忠,程克梅.绵阳师范学院学报.2015(02).