綠色節(jié)能背景下碳氣凝膠的發(fā)展及應(yīng)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(dǎo)率等優(yōu)異性能，已被廣泛應(yīng)用于隔熱保溫、吸附、催化和能源等領(lǐng)域，但隨著氣凝膠應(yīng)用領(lǐng)域的越發(fā)廣泛，普遍應(yīng)用于650℃及以下隔熱領(lǐng)域的傳統(tǒng)SiO2氣凝膠在高溫下結(jié)構(gòu)易坍塌，致使材料致密化，從而喪失其優(yōu)異性能，其他氧化物基氣凝膠的高溫?zé)岱€(wěn)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(lǐng)域的應(yīng)用。

碳化物是一種高硬度、高熔點和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)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(shù)將碳化物制成氣凝膠結(jié)構(gòu)，可提升氣凝膠材料的使用性能，與傳統(tǒng)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?zé)釋?dǎo)率，在催化劑載體、電容器及吸附材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

據(jù)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(fù)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(jīng)成為一種業(yè)界重要發(fā)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(jīng)過溶膠－凝膠、溶劑交換、理想干燥得到有機氣凝膠，然后經(jīng)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(diào)控氣凝膠特性。

生物質(zhì)基前體符合現(xiàn)代綠色化學(xué)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(guān)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(zhì)如納米線、納米管、石墨烯等材料形成復(fù)合碳氣凝膠，賦予碳氣凝膠目標的孔結(jié)構(gòu)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(shù)，即對加壓容器升溫，使溫度和壓力超過干燥介質(zhì)的臨界點，介質(zhì)變成超臨界態(tài)的流體，表面張力不復(fù)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(nèi)剩余溶液而不改變凝膠結(jié)構(gòu)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(zhì)或提升凝膠本身強度來減少對孔結(jié)構(gòu)的破壞，常見的溶劑有乙醇，丙酮、異丙醇等。

碳化物及其復(fù)合氣凝膠

1、SiC及其復(fù)合氣凝膠

SiC的硬度僅次于金剛石，且具有低熱膨脹系數(shù)、高耐磨性和化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點，但SiC熱導(dǎo)率高，研究表明可通過制成氣凝膠結(jié)構(gòu)從而改善SiC的隔熱性能。隔熱保溫凝膠廠家表示，研究學(xué)者們通過引入Si、O、C等元素或復(fù)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(yīng)用于對材料質(zhì)量要求苛刻的領(lǐng)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(xué)計量比組成的，可通過控制元素配比來調(diào)控SiOC氣凝膠的性能，從而應(yīng)用于不同領(lǐng)域。較早SiOC材料因其內(nèi)部含有Si—O和Si—C鍵，被當(dāng)作SiOC玻璃前驅(qū)體使用，表現(xiàn)出較高的力學(xué)強度和化學(xué)耐久性，因其具有氣體敏感特性而被應(yīng)用于氣體傳感器領(lǐng)域，還因為其內(nèi)部無序游離碳及無定形基體具有優(yōu)良的電化學(xué)儲存性能，被廣泛用于鋰離子電池領(lǐng)域。

3、ZrC及其復(fù)合氣凝膠

ZrC作為一種高熔點、高硬度、高化學(xué)穩(wěn)定性的金屬碳化物，常應(yīng)用于超硬材料、表面涂層等領(lǐng)域，在制備過程中將其氣凝膠結(jié)構(gòu)化，可在保留ZrC本身優(yōu)良物理特性的前提下，實現(xiàn)材料的較好絕熱隔熱。

碳氣凝膠的應(yīng)用

1、污水處理

碳氣凝膠微孔結(jié)構(gòu)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。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(yīng)用潛力。

2、相變保溫基材

面對不良環(huán)境變化，溫度和傳熱控制在高溫的防護服和航天設(shè)備上應(yīng)用是較為重要的，CAs以優(yōu)異的高溫隔熱性能在相變材料中有重要應(yīng)用。碳氣凝膠通過復(fù)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(wěn)定性。

3、電容器

電容器根據(jù)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(zhì)與表面之間發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。研究學(xué)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(fā)成本。

4、其它

CAs是優(yōu)異的電磁屏蔽材料。有研究學(xué)者合成了一種石墨烯氣凝膠膜(GAF)展示出了優(yōu)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(xiàn)顯著的正相關(guān)，在多層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中而沒有爆炸風(fēng)險，從而提高儲氫量。

綜上，在環(huán)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(jié)能保溫方面，通過深挖、微型化方式已經(jīng)在航天、石油化工等領(lǐng)域初見市場應(yīng)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(fā)成熟、低成本，可再生和生物降解的前體是碳氣凝膠大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)、應(yīng)用和減低成本的發(fā)展方向。