梅意意

(武漢工程大學，湖北 武漢 430305)

引言

隨著世界能源的革新，人類對于新能源愈發(fā)渴求，其中碳氣凝膠就是其中之一。碳氣凝膠最早由Pekala利用間二苯酚和甲醛經(jīng)過溶膠-凝膠與超臨界干燥制得碳氣凝膠；其成本昂貴且具有毒性，因此生物質碳氣凝膠被逐步開發(fā)出來；生物質具有低灰分、無金屬雜質、結構可控易于合成三維結構、同時自身富含氮氧元素；這一類碳氣凝膠具備傳統(tǒng)的碳氣凝膠的多孔性質、導電性質，催化性質等特點，因此被廣泛研究[1]。

生物質自身富含氮氧元素，因此利用其特點進行自活化達到自摻雜的效果，同時其他雜原子也可以摻雜活化，以此來提升材料性能；因為生物質自身具有氨基、羧基、羥基等官能團，因而利用酸堿活化改變碳氣凝膠理化性質；還可與金屬離子進行金屬活化形成新復合材料以此來提升各方面性能，利用其生物質自身特性采用不同活化方式從而制備不同需求碳氣凝膠。生物質碳氣凝膠近年來被廣泛應用于各個方面尤其是在電極材料、電催化材料，吸附材料等最為突出。本文簡單綜述近年來各類型最新應用進展，尤其是電極材料上的應用。

1 生物質碳氣凝膠的制備

生物質碳氣凝膠的制備大致分為三步：洗脫純化、干燥、碳化。生物質多數(shù)提取其纖維素制成碳氣凝膠，而非直接碳化。生物質碳氣凝膠多以纖維素制備成型為主，利用酸堿進行分離纖維素和雜質完成洗脫；相對于機械分離和酶解法，同樣可以洗脫純化但是無法同酸堿洗脫保留生物質自身完整結構，同時最大限度除去其他可溶性的雜質；總體而言是酸堿洗脫優(yōu)于其他類型的洗脫純化的方式。

干燥通常選擇冷凍干燥，只有冷凍干燥可以做到像超臨界干燥一樣，避免氣液間的表面張力導致結構被破壞，最大限度保證生物質自身的完整結構；同時操作簡單成本低廉，因此多用于生物質碳氣凝膠制備過程中。碳化是制備成為碳氣凝膠的關鍵一步，對于其成型和結構有著重要影響，主要和碳化溫度相關，調控其炭化溫度可以控制器導電性和石墨化程度；同時不同溫度伴隨著新舊鍵重新斷裂與組合，導致結構坍塌和其他孔隙的產(chǎn)生，從而影響其性能[2]。

2 生物質碳氣凝膠的性質

2.1 輕質多孔性

生物質碳氣凝膠最大特點就是輕質化，自身多孔性和凝膠過程的孔隙被空氣填充使得其輕質化；孟等用纖維素制備微纖維交聯(lián)，同時纖維中存在大量孔隙，且其碳氣凝膠密度達到0.01 g/cm。González通過玉米淀粉制備氣凝膠微球，其密度為0.18 g/cm。

2.2 導電性

相對其他的材料氣凝膠而言，碳氣凝膠是唯一具有導電性的特殊碳材料之一；因其具有耐腐蝕、低電阻的特性，因此常被用作電極材料；程等用棉花制備成為碳氣凝膠其導電率為860 S/m。利用角叉藻和硫化鎘摻雜制備成高電流響應和良好導電率的電極材料[3，4]。

2.3 其他性質

生物質碳氣凝膠經(jīng)過高溫碳化時親水性基團消失，使得碳氣凝膠具有疏水性；萬等將木纖維素制備成為碳氣凝膠其水接觸角可達139°。李等將冬瓜水熱，碳化制備的碳氣凝膠，具有良好的疏水性，同時對有機化合物有極強的吸附性。張等對木棉纖維制成碳氣凝膠進行多次擠壓，能短時間內復原，表現(xiàn)出來良好的穩(wěn)定性。

3 生質碳氣凝膠的活化類型

3.1 雜原子摻活化

生物質有一部分自身富含氮原因而制備成碳氣凝膠時候，可以利用這一特性制成自摻雜的材料；于等將滸苔直接活化制備自摻雜碳氣凝膠，制備出高比表面積三維海綿的互聯(lián)結構。除了自摻雜外也可以借助氨氣、尿素等進行氮摻雜；李等將天竺葵經(jīng)氨氣和氮氣活化制成獨特多維碳氣凝膠，引入的氮摻雜3D結構中使得穩(wěn)定性提升。Marcelina等由馬鈴薯淀粉和尿素進行共摻雜制出石墨化富氮的碳氣凝膠同時被用作電極負極材料，提升其負極傳輸力。其他雜原子如P、S、B等也均可以進行摻雜與碳氣凝膠進行活化[5-9]。

3.2 酸堿活化

羥基、羧基是多數(shù)生物質所有擁有的基本官能團，正是利用這一特性和酸堿活化到達提升各方面性能的作用；劉等將哈密瓜水熱后直接和氫氧化鉀進行一步合成制成碳氣凝膠，其材料中孔和微孔遠勝于同類且為分級多孔的形貌結構，因為親水基的消失使其吸附性能增強。李等直接將氫氧化鉀和葡萄糖衍生碳氣凝膠一步合成；因葡萄糖醛基和氫氧化鉀在高溫作用下成珊瑚結構，促進中微孔的產(chǎn)生。鄭等對碳氣凝膠進行酸化作用，使得其結構成為交聯(lián)結構帶來穩(wěn)定的結構性和高抗壓特點[10]。

3.3 金屬離子活化

金屬離子活化是最為常見的一類活化方式，通過負載不同類型的金屬離子形成復合材料使其具有更強的化學性能；如Guilminot等基于醋酸纖維碳氣凝膠為模板負載鉑納米顆粒，熱處理后具有良好化學結構可用作電池的交換膜。Bhagat首次采用一步法將甘蔗汁和鎳鈷直接水熱合成具有3D互聯(lián)的結構碳氣凝膠，同時具高能量密度的特點。古等從生物廢料提取納米纖維和錳氧化物制備成為具有自支撐的碳氣凝膠。金屬離子進行活化摻雜的復合碳氣凝膠在結構上發(fā)生變化的同時使得電化學性能提升[11]。

3.4 物理活化

主要利用水蒸汽和二氧化碳進行活化，二氧化碳活化不會破壞其碳氣凝膠結構同時可以顯著的提升其孔體積、孔分布、比表面積。水蒸氣的活化度高于二氧化碳，因此在水蒸氣活化時會增加其微孔率和中孔率。朱等采用一步法對納米纖維與二氧化碳進行活化，產(chǎn)生高度多孔和互聯(lián)納米結構，大大增強其孔隙率。

4 生物質碳氣凝膠的應用

4.1 電化學材料

隨著電力能源革命推進，人類越發(fā)重視電力能源的開發(fā)和儲能；生物質碳氣凝膠憑借其高比表面積、低電阻等特點被制成電化學材料。葛等以海藻為氮、碳源，葡萄糖為促進劑，在氫氧化鉀的條件下制成球形的碳氣凝膠結構；比表面高達1893 m2/g，電化學性能在三電極體系中1 A/g下6 mol/L KOH中達到335 F/g，同時其循環(huán)穩(wěn)定性在測試5000次依然保持在89 %以上，如圖1所示。吳以西瓜為碳源制成海綿狀3D結構碳氣凝膠，在和Fe3O4復合成有磁性碳氣凝膠；經(jīng)過1000次的循環(huán)，依舊在6 mol/L KOH中1 A/g下維持330 F/g的高比電容。

圖1 氮摻示意圖

生物質碳氣凝膠因自身三維網(wǎng)狀結構和可控多級孔的特性，因而在電化學中離子傳輸時候可以保證良好通過傳輸同時可以調節(jié)孔徑來控制離子的擴散程度，以此來到達提升電化學性能。

4.2 吸附材料

由于工業(yè)生產(chǎn)中會有大量廢水、油、重金屬離子產(chǎn)生，如不處理對人類和環(huán)境都有嚴重的危害；碳氣凝膠具有輕質、多孔、解附能力強因此被廣泛應用于吸附材料中[12，13]；周等制備超輕納米纖維碳氣凝膠可以吸附自身油量155倍-288倍，同時循環(huán)十次以上依然保持95 %的作用。在吸附重金屬離子上，張等制成殼聚糖碳氣凝膠的對銅、鎘、鉛有著極強作用，同時對有機系列染料的脫色率高達99 %，效果如圖2。碳氣凝膠對鉻、鎳、鈷等都良好的吸附作用。

圖2 殼聚糖碳氣凝膠吸附效果圖

4.3 其他材料

生物質碳氣凝膠因為其多孔的特性在催化、儲氫、隔熱等領域有廣泛應用；水葫蘆碳氣凝膠其電催化應用上可以媲美鈀碳催化劑作用。在儲氫方面張等可以在77 K大氣壓下吸氫自重的1.5 %。因多孔結構的原因，還應用在航天隔熱涂層、藥物載體、隔聲材料等等各個方面。隨著時間推移，生物質碳氣凝膠的應用還會被繼續(xù)擴大，研究也會越來越深[14，15]。

5 結語

生物質碳氣凝膠在各個方面表現(xiàn)都十分優(yōu)越，且原料廉價易得，近幾年吸引不少人的研究興趣，但是實際工業(yè)生產(chǎn)中確有差強人意，并非所有活化劑均可對生物質產(chǎn)生理想的處理效果，同時也難以保證其工業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性和重復性，因而在后續(xù)的研究需要尋找合適活化條件同時能保證成本低廉和可實現(xiàn)工業(yè)化操作的形式，以此實現(xiàn)實驗與實際相結合，從而實現(xiàn)理論轉化為實際應用。