綠色節能背景下碳氣凝膠的發展及應用

前言

氣凝膠由于其高比表面積、高孔隙率、密度低和低熱導率等優異性能，已被廣泛應用于隔熱保溫、吸附、催化和能源等領域，但隨著氣凝膠應用領域的越發廣泛，普遍應用于650℃及以下隔熱領域的傳統SiO2氣凝膠在高溫下結構易坍塌，致使材料致密化，從而喪失其優異性能，其他氧化物基氣凝膠的高溫熱穩定性也有待進一步加強，高溫局限性較大地限制了氧化物基氣凝膠在高溫領域的應用。

碳化物是一種高硬度、高熔點和化學性質穩定的化合物，一般通過原位生成法制得，在制備過程中控制工藝參數將碳化物制成氣凝膠結構，可提升氣凝膠材料的使用性能，與傳統的二氧化硅氣凝膠相比，碳氣凝膠具有更高的強度、更大的孔隙率、更小的顆粒直徑、更大的比表面積及更低的高溫熱導率，在催化劑載體、電容器及吸附材料等領域具有廣闊的應用前景。

據研究報告指出，2016年全球氣凝膠年市場價值已達5.129億美元，按照復合年增長31.8%估算，到2026年全球氣凝膠年市場價值將達80多億美元。隔熱保溫凝膠廠家表示，碳氣凝膠及其衍生物作為氣凝膠市場的重要組成部分，已經成為一種業界重要發展的新型氣凝膠材料。

碳氣凝膠的制備

碳氣凝膠（CAs）制備來源廣泛，合成路徑多樣。不同前體一般經過溶膠－凝膠、溶劑交換、理想干燥得到有機氣凝膠，然后經熱解碳化得到碳氣凝膠。CAs的制備首先要選擇合適的前體，在制備過程中通過改變物料配比、催化體系、凝膠化時間和引入造孔劑等手段調控氣凝膠特性。

生物質基前體符合現代綠色化學理念，普遍具有生物相容性、生物可降解性等特點受到廣泛關注。冬瓜皮、秸稈、絲瓜等前體因廉價易得、自摻雜N、S、O元素等特點已用作CAs制備。隔熱保溫凝膠廠家表示，另外，還有研究者通過引入其他物質如納米線、納米管、石墨烯等材料形成復合碳氣凝膠，賦予碳氣凝膠目標的孔結構和彈性。

凝膠的干燥包括去除濕凝膠粒子間的分散相(水)和填充新分散相(氣體)兩步，常采用3種干燥方法：超臨界干燥、冷凍干燥和常壓干燥。較成熟的方法是超臨界流體干燥技術，即對加壓容器升溫，使溫度和壓力超過干燥介質的臨界點，介質變成超臨界態的流體，表面張力不復存在，大大減弱分子間的相互作用力，之后將這種超臨界流體從壓力容器中緩慢釋放，即可達到去除凝膠內剩余溶液而不改變凝膠結構的目的。冷凍干燥常見于生物基碳氣凝膠的干燥過程中，在真空或者負壓條件下，直接將凝膠中的水分子升華，可處理量大，工藝直接。常壓干燥即在大氣壓下直接干燥樣品，可以通過引入能大大降低溶劑表面張力的介質或提升凝膠本身強度來減少對孔結構的破壞，常見的溶劑有乙醇，丙酮、異丙醇等。

碳化物及其復合氣凝膠

1、SiC及其復合氣凝膠

SiC的硬度僅次于金剛石，且具有低熱膨脹系數、高耐磨性和化學性能穩定等優點，但SiC熱導率高，研究表明可通過制成氣凝膠結構從而改善SiC的隔熱性能。隔熱保溫凝膠廠家表示，研究學者們通過引入Si、O、C等元素或復合其它高性能材料制得碳氣凝膠，獲得多種高性能目標碳氣凝膠材料，應用于對材料質量要求苛刻的領域。

2、SiOC氣凝膠

SiOC氣凝膠是由Si、O、C三種元素不按固定化學計量比組成的，可通過控制元素配比來調控SiOC氣凝膠的性能，從而應用于不同領域。較早SiOC材料因其內部含有Si—O和Si—C鍵，被當作SiOC玻璃前驅體使用，表現出較高的力學強度和化學耐久性，因其具有氣體敏感特性而被應用于氣體傳感器領域，還因為其內部無序游離碳及無定形基體具有優良的電化學儲存性能，被廣泛用于鋰離子電池領域。

3、ZrC及其復合氣凝膠

ZrC作為一種高熔點、高硬度、高化學穩定性的金屬碳化物，常應用于超硬材料、表面涂層等領域，在制備過程中將其氣凝膠結構化，可在保留ZrC本身優良物理特性的前提下，實現材料的較好絕熱隔熱。

碳氣凝膠的應用

1、污水處理

碳氣凝膠微孔結構豐富，具備很強的天然吸附能力。經過表面處理后，碳氣凝膠可以成為一種新型環境保護材料。以海藻酸鈣為前體制備海藻酸鈣碳氣凝膠，在油水分離實驗探究中，分別用15、18s將水上油和水下油吸附完全，在污水處理中有巨大的應用潛力。

2、相變保溫基材

面對不良環境變化，溫度和傳熱控制在高溫的防護服和航天設備上應用是較為重要的，CAs以優異的高溫隔熱性能在相變材料中有重要應用。碳氣凝膠通過復合其它材料提高材料性能，加大相變材料在基材負載量，來顯著提高材料熱穩定性。

3、電容器

電容器根據工作原理分為雙電層電容器(EDLCs)和法拉第贗電容器2種類型。前者的基本原理是一種靜電吸引作用，后者的工作原理是電解質與表面之間發生的氧化還原反應。研究學者通過碳氣凝膠的改性制備，大大提高電容器性能，降低電容器開發成本。

4、其它

CAs是優異的電磁屏蔽材料。有研究學者合成了一種石墨烯氣凝膠膜(GAF)展示出了優異的電磁屏蔽性能，實驗表明，電磁屏蔽性能與膨脹程度呈現顯著的正相關，在多層結構中厚度方向的膨脹顯著增強了材料的屏蔽效能。

CAs還有望解決氫氣的可靠儲運問題。金屬摻雜的CAs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。

綜上，在環保方面，碳氣凝膠可以用于污水處理、海水淡化、重金屬離子吸附、有機廢氣處理等，市場容量巨大；在節能保溫方面，通過深挖、微型化方式已經在航天、石油化工等領域初見市場應用；儲能方面，碳氣凝膠是用于制作電容器的較好材料。未來，開發成熟、低成本，可再生和生物降解的前體是碳氣凝膠大規模產業化生產、應用和減低成本的發展方向。