活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　氣凝膠的外觀和凝膠一樣，但是內(nèi)部的液體組分已被替換成氣體形成了一個(gè)完整的固體納米結(jié)構(gòu)，其中90%〜99體積%是空氣。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)構(gòu)成有機(jī)氣凝膠的聚合物可以在惰性氣氛(例如氮?dú)饣驓鍤?中加熱到一定溫度后脫水活化，留下活性炭氣凝膠。與二氧化硅氣凝膠不同，活性炭氣凝膠是一種電導(dǎo)體，可以作為電容器。本文簡單的描述了聚合物和活性炭氣凝膠的制備，結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的進(jìn)展，以及它們?cè)诟鞣N領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。

　　活性炭氣凝膠的制備方法

　　氣凝膠的潛在應(yīng)用基于其性質(zhì)，其強(qiáng)烈依賴于微觀結(jié)構(gòu)。因此，在制備過程中實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)控制是非常重要的。通常，氣凝膠的制備過程包括以下三個(gè)或四個(gè)步驟(圖1：

　　1、溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變(凝膠化)：納米級(jí)溶膠顆粒交聯(lián)并分層組裝成濕凝膠，自發(fā)地或通過催化劑通過水解或縮合反應(yīng)催化。

　　2、結(jié)構(gòu)強(qiáng)化(固化)：機(jī)械強(qiáng)化溶膠-凝膠過程中產(chǎn)生的脆弱固體骨架。

　　3、凝膠-氣凝膠轉(zhuǎn)變(干燥)：濕凝膠內(nèi)的溶劑被空氣置換而沒有嚴(yán)重的微觀結(jié)構(gòu)損失。

　　圖1：聚合物或活性炭氣凝膠的一般制備方法。

　　所有這三個(gè)步驟都可以確定氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)并影響它們的性質(zhì)和應(yīng)用。此外，值得一提的是，制造活性炭氣凝膠需要額外的碳化過程(圖1步驟4)。有機(jī)氣凝膠的碳化，活性炭氣凝膠主要通過在高于600℃的溫度下熱解有機(jī)氣凝膠而獲得。以這種方式，有機(jī)氣凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電活性炭結(jié)構(gòu)。在碳化期間，氣凝膠失去氧和氫官能團(tuán)，因此導(dǎo)致碳的富集和高純碳結(jié)構(gòu)。熱解條件的變化引起活性炭氣凝膠性質(zhì)的顯著變化。較高的熱解溫度傾向于降低活性炭氣凝膠的表面積，并且它們的電化學(xué)雙層電容也降低。隨著熱解溫度的升高，表面積的微小下降限制在600°C以上的溫度，而在600°C以下，熱解溫度的升高會(huì)增加表面積。此外，活性炭氣凝膠的活化可以通過800到900°C之間用蒸汽或CO 2進(jìn)行氣化來進(jìn)行。碳?xì)饽�膠的表面積，孔體積和孔徑分布在與合成和加工條件下是可調(diào)的。

　　活性炭氣凝膠的組成和性質(zhì)

　　活性炭氣凝膠由納米結(jié)構(gòu)活性炭材料組成，其中孔隙充滿氣體。因?yàn)榭梢越Y(jié)合有益吸附性質(zhì)和高的熱穩(wěn)定性，并且擁有電子傳導(dǎo)性，和可成為催化劑載體，油或有機(jī)溶劑吸附和儲(chǔ)能方面的潛在應(yīng)用。活性炭氣凝膠還有一個(gè)特征是它們的超輕質(zhì)。除了高度多孔和輕質(zhì)之外，另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在轉(zhuǎn)化成活性炭氣凝膠后引入導(dǎo)電性的可能性，因此允許在電化學(xué)區(qū)域(例如，電池，超級(jí)電容器或?qū)щ姶呋瘎┹d體)中的應(yīng)用。隨著新型活性炭材料的發(fā)展，已經(jīng)生產(chǎn)出具有超低密度和優(yōu)異導(dǎo)電性的石墨烯或基于納米碳管的活性炭氣凝膠作為新興的新型氣凝膠材料，這進(jìn)一步拓展了氣凝膠材料的應(yīng)用領(lǐng)域。除了高級(jí)碳材料能制造氣凝膠外，使用生物質(zhì)做成的活性炭氣凝膠如圖7所示。

　　圖2：來自不同生物質(zhì)的活性炭氣凝膠。

　　新穎氣凝膠如碳納米關(guān)和石墨烯氣凝膠理論上認(rèn)為是使超輕型但彈性的最佳候選和導(dǎo)電氣凝膠，鑒于其奇妙的機(jī)械強(qiáng)度，低的密度，良好的彈性，良好的導(dǎo)電性，和非常高的縱橫比。無論其超輕密度如何，碳納米管或石墨烯氣凝膠都具有機(jī)械強(qiáng)度，可以支撐高達(dá)自身重量1000倍的平衡。更有趣的是，活性炭氣凝膠還表現(xiàn)出超彈性，可以在壓縮釋放后反復(fù)壓縮并恢復(fù)其大部分體積。因此，這種新型活性炭氣凝膠進(jìn)一步拓展了氣凝膠材料的應(yīng)用領(lǐng)域，包括有機(jī)發(fā)光顯示器，太陽能電池，傳感器，新型電極和冷電子場發(fā)射。

　　圖3：活性炭氣凝膠的結(jié)構(gòu)性質(zhì)展示。

　　活性炭氣凝膠的應(yīng)用

　　能源儲(chǔ)備：具有3D多孔結(jié)構(gòu)的活性炭氣凝膠是高性能電極材料的優(yōu)良候選材料，因?yàn)樗鼈兙哂懈弑缺砻娣e和發(fā)達(dá)的孔隙率，通過縮短擴(kuò)散路徑和確保良好的電接觸提供連續(xù)通道以促進(jìn)離子傳輸。

　　吸附劑：活性炭氣凝膠的疏水性使其成為去除污染物和油和水分離的理想候選物，因?yàn)槠涫杷�表面可以選擇性地和有效地吸附與水混合的油性目標(biāo)化合物。活性炭氣凝膠可吸附各種有機(jī)溶劑和油類，還還具有優(yōu)異的可回收性，即使經(jīng)過蒸餾，燃燒或擠壓五個(gè)循環(huán)后仍保持高吸附能力。最重要的是，豐富的來源和簡單的制備方法使炭氣凝膠在可能的工業(yè)應(yīng)用中具有成本效益，例如屏障分離和水凈化。

　　催化劑載體：為了改善催化劑的性能(一般物理化學(xué)特性以及催化反應(yīng)性)，最重要的特征是催化劑納米顆粒的高表面積和相穩(wěn)定性。因此，具有高導(dǎo)電性，高中孔率和環(huán)境穩(wěn)定性的活性炭氣凝膠是用于催化的有前途的材料。

　　圖4：(a)通過使用間隔10秒的活性炭氣凝膠顯示庚烷吸附過程的照片。(b)照片顯示使用活性炭氣凝膠吸附氯仿的過程5秒內(nèi)完全被吸收。

　　聚合物氣凝膠和活性炭氣凝膠已被用于各種領(lǐng)域，因?yàn)樗鼈兙哂歇?dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，如3D多孔網(wǎng)絡(luò)，高比表面積，低密度，低介電常數(shù)和高機(jī)械性能。由于其輕質(zhì)，低導(dǎo)熱性和低速聲音，活性炭氣凝膠可應(yīng)用于建筑施工，車輛，汽車或太空服。來自氣凝膠三維多孔網(wǎng)絡(luò)的高表面積，高孔隙率和低密度確保了它們?cè)诖呋�，傳感器，吸附和燃料�?chǔ)存領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。此外，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，這些高度多孔的活性炭氣凝膠結(jié)構(gòu)提供了更大的適用范圍，并且通常比其原始有機(jī)前體具有更高的性能。

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