基本介紹
- 中文名：炭氣凝膠
- 外文名：carbon aerogel
- 特點：輕質、多孔、非晶態
- 材料：納米碳
- 套用：催化劑及其載體
簡介,製備方法,形成有機凝膠,超臨界乾燥,炭化,製備常用原料,套用,催化劑及其載體,電化學套用,貯氫材料,污水處理,模板,產業化,
簡介
炭氣凝膠與傳統的無機氣凝膠(如矽氣凝膠)相比，炭氣凝膠具有許多優異的性能和更加廣闊的套用前景。炭氣凝膠具有導電性好、比表面積大、密度變化範圍廣等特點，是製備雙電層電容器理想的電極材料。炭氣凝膠是唯一具有導電性的氣凝膠，可用於超級電容器的電板材料。有機氣凝膠及炭氣凝膠具有生物機體相容性，使得其可用於製造人造生物組織、人造器官及器官組件、醫用診斷劑及胃腸外給藥體系的藥物載體。由於炭氣凝膠的組成元素(碳)原子序數低，因而用於Cerenkov探測器時優於矽氣凝膠材料。自從80年代末R.W.Pekala首次合成出RF（resorcinol formaldehyde）有機氣凝膠並由其炭化得到炭氣凝膠以來，這一領域的研究幾乎被其所在的美國Lawrence Livermore國家實驗室所壟斷，國內尚未見系統報導。
製備方法
炭氣凝膠的製備一般可分為三個步驟：即形成有機凝膠、超臨界乾燥和炭化。其中有機凝膠的形成可得到具有三維空間網路狀的結構凝膠；超臨界乾燥可以維持凝膠的織構而把孔隙內的溶劑脫除；炭化使得凝膠織構強化，增加了機械性能，並保持有機凝膠織構。
形成有機凝膠
只有熱固性有機氣凝膠才能製備炭氣凝膠，否則炭化將破壞凝膠結構。炭氣凝膠的原料一般採用間苯二酚和甲醛，二者在鹼催化劑作用下發生縮聚反應，形成RF(resorcinol formaldehyde)凝膠。RF凝膠性能受原料配比、催化劑、固化時間和溫度等因素影響。RF凝膠採用普通蒸發乾燥，則由於表面張力作用而破壞凝膠結構，形成所謂的乾凝皎(xerogels)；維持凝膠結構的乾燥方法有超l臨界乾燥和冷凍乾燥，前者乾燥所得樣品為氣凝膠（aerogel），後者乾燥所得凝膠為冷凍凝膠(cryogels)。
超臨界乾燥
(Super-critical drying)
超臨界流體概念的提出可追溯到一百多年前。而超臨界流體乾燥技術是Kistler S.S開創的。超臨界流體無汽液界面而兼有液體和氣體性質，具有特殊的溶解度、易調變的密度、較低的粘度和較高的傳質速率等特點，因此乾燥過程中可維持凝膠結構。超臨界乾燥介質多採用醇類等有機溶劑，由於其易燃易爆及Air Glass實驗室的事故，迫使研究者開發新的乾燥介質。Tewari P H等採用二氧化碳作為超臨界乾燥介質，降低了乾燥溫度，提高了安全性，乾燥時間較長。但多採用CO2乾燥介質。
炭化
RF氣凝膠的密度範圍0.03~0.60g/cm 3，比表面積350~900m2/g．典型孔隙尺寸小於50nm，網路膠體顆粒尺寸3~20nm，暗紅色透明。RF氣凝膠在惰性氣氛或真空條件下炭化得到玻璃狀炭氣凝膠。在炭化時，升溫速率和氣氛對炭氣凝膠性能有重要影響，一般情況下炭化收率不大於50% 。但炭氣凝膠基本繼承了RF氣凝膠的織構，這歸因於經歷的炭化是固相炭化反應。
常見製備方法
以間苯二酚和甲醛為原料在鹼性催化劑的作用下形成凝膠，然後以二氧化碳為介質進行超臨界乾燥製得有機氣凝膠，再將有機氣凝膠在惰性氣體保護下高溫熱解即得碳氣凝膠。這種方法的缺陷在於製備凝膠時必須有鹼性催化劑的催化，當催化劑濃度較高時凝膠在超臨界乾燥和碳化過程中均有很大收縮，難以得到低密度的碳氣凝膠，而當催化劑濃度較低時往往得不到凝膠，而且製備周期長、工藝複雜，並難以控制。
製備常用原料
說到碳氣凝膠製備的原料，就不得不說有機氣凝膠。有機氣凝膠的製備多採用聚合物單體經溶膠凝膠過程共聚的方法形成凝膠，經丙酮溶劑置換，超臨界C02乾燥得到氣凝膠產物。國外報導有間苯二酚和甲醛氣凝膠、蜜胺甲醛氣凝膠、苯酚糠醛氣凝膠、聚氰酸酯系列氣凝膠。
製備炭氣凝的原料除了間苯二酚和甲醛以外，還有三聚氰胺和甲醛，酚醛樹脂和糠醛，線性高分子N-羥甲基丙烯醯胺與間苯二酚，混甲酚一甲醛，間甲酚-甲醛，2,4-二羥基苯甲酸-甲醛等。
套用
催化劑及其載體
炭氣凝膠具有高比表面積、高孔隙率、低密度且穩定性較好的網路結構，因而是催化劑載體的最佳材料之一。Moreno-Castilla等研究了摻雜鉻、鉬、鎢的氧化物的炭氣凝膠在1-丁烯異構化中的作用，其中，氧化鎢的活性最高，且低溫下製備的氧化物的活性比高溫的高。負載在炭氣凝膠上的鉑可用來催化甲苯的燃燒，還被用作質子交換膜電池的催化劑，該催化劑和商業催化劑相比，有較高的循環電壓和表面積，並且在電池工作中，鉑顆粒的凝聚和燒結趨勢都很小，因此是最有希望的新型燃料電池的催化劑。
電化學套用
高比表面積、均一納米結構、強耐腐蝕性、低電阻係數及寬密度範圍的炭氣凝膠是高效高能電容器的理想材料。孟慶函等用線性酚醛樹脂-糠醛製備的炭氣凝膠作為超級電容器的電極材料，0.5 mA充放電時，電極的比電容達121 F/g。Li等 將甲酚與間苯二酚混合後與甲醛反應製得的炭氣凝膠作為超級電容器的電極材料，通過循環伏安法和交流阻抗測試，該電極表現出穩定電壓平台和很好的充電性能，比電容達到104 F/g。
貯氫材料
氫能具有很高的熱值，燃燒釋能後的產物是水，對環境無污染，此外，氫能為可再生能源，不會枯竭，因而被譽為2l世紀的綠色新能源。美國LawrenceLivermore國家實驗室和伊利諾斯大學研究表明：炭氣凝膠具有高比表面積、低密度、連續的網路結構且孔洞尺寸很小又與外界相通，具有優良的吸、放氫性能。美國能源部於2005年專門設立了機構，研究摻雜金屬的炭氣凝膠貯氫，並給予財政資助。
污水處理
和現有的技術(離子交換，蒸發，反相滲透)相比，用炭氣凝膠進行電吸附去除溶液中的金屬離子具有很多優勢，包括可以再生、減少了二次污染，節約能量。試驗H 表明吸附容量會隨著溶液濃度、所採用的電壓以及可利用的比表面的增加而增加。God等用炭氣凝膠吸附水溶液中的H+ ，吸附能力幾乎達100%。炭氣凝膠也能吸附Cd2+、pb2+ 、Cu2 +、Ni+ 、Mn2+ 、Zn2+ 、Cr2 +等重金屬離子。
模板
炭氣凝膠有很高的比表面和孔體積，而且其孔徑可控，是比較理想的模板材料。用表面活性劑合成中孔氧化鋁，在去除表面活性劑時，會導致其中孔結構的塌陷，而且原料醇鹽比較昂貴，它們的水解速率也難以控制。而用炭氣凝膠I副為模板，只需將硝酸鋁水溶液滲透到炭氣凝膠中，然後進行簡單的乾燥和煅燒即可。通過調整氣凝膠的結構就可控制氧化鋁的孔體系。同時它可以作為模板製備中孔的沸石Y¨和ZSM-5，除了沸石本身所擁有的微孔外，還引進中孔，擴展了沸石的套用範圍。
產業化
影響炭氣凝膠商業化套用的主要問題是其製備工藝複雜，製備成本偏高。由於原材料昂貴、製備工藝複雜、生產周期長、規模化生產難度大等原因，導致炭氣凝膠產品產量低、成本高，市場難以接受、產業化困難。炭氣凝膠還未能實現產業化，只是具有相當大的市場套用前景。
