【材料 】說(shuō)：

我們現(xiàn)在通常所說(shuō)的氣凝膠一般是指二氧化硅氣凝膠，這是因?yàn)閲?guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)化的氣凝膠大都是圍繞著這個(gè)材料的隔熱性能進(jìn)行的。今天我們介紹另外一種氣凝膠——碳?xì)饽z。

與傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)氣凝膠(如硅氣凝膠)相比，碳?xì)饽z具有許多優(yōu)異的性能和更加廣闊的應(yīng)用前景。碳?xì)饽z具有比表面積大、密度變化范圍廣等特點(diǎn)，是制備雙電層電容器理想的電極材料。碳?xì)饽z是唯一具有導(dǎo)電性的氣凝膠，可用于超級(jí)電容器的電扳材料。有機(jī)氣凝膠及碳?xì)饽z具有生物機(jī)體相容性，使得其可用于制造人造生物組織、人造器官及器官組件、醫(yī)用診斷劑及胃腸外給藥體系的藥物載體。由于碳?xì)饽z的組成元素(碳)原子序數(shù)低，因而用于Cerenkov探測(cè)器時(shí)優(yōu)于硅氣凝膠材料。

自從80年代末R.W.Pekala首次合成出RF（resorcinol formaldehyde）有機(jī)氣凝膠并由其碳化得到碳?xì)饽z以來(lái)，這一領(lǐng)域的研究幾乎被其所在的美國(guó)Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室所壟斷，國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)系統(tǒng)報(bào)道，相關(guān)的報(bào)道僅有2016年4月份浙江大學(xué)高超教授研制出全碳?xì)饽z和2016年11月份中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授俞書(shū)宏課題組與國(guó)際同行合作，提出了三維模板法制備酚醛樹(shù)脂（PF）基碳?xì)饽z的理念，成功發(fā)展了兩種三維模板制備碳?xì)饽z的新方法，即聚合物分子鏈軟模板和鹽硬模板法這兩則報(bào)道。

碳?xì)饽z由于其結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，具有廣泛的應(yīng)用。而在其許多應(yīng)用中，碳?xì)饽z被發(fā)現(xiàn)在一些電化學(xué)裝置中用作電極材料的表現(xiàn)極為突出，最顯著的是用于空氣電容器（aerocapacitor）和電吸附元件（absorption cells）上。

空氣電容器（aerocapacitor）由碳?xì)饽z作為電極，是具有高功率密度，高能量密度的電化學(xué)雙層電容器。該裝置通過(guò)在電極/電解質(zhì)界面處的靜電電荷分離來(lái)存儲(chǔ)電能，被用于負(fù)載調(diào)平電源和電動(dòng)動(dòng)力列車(chē)。此外，一種基于電吸附技術(shù)的創(chuàng)新型氣凝膠已被成功地用于從含水廢液中除去重金屬和無(wú)機(jī)鹽離子的案例中。具有各種陰離子和陽(yáng)離子的廢液流過(guò)一堆帶電荷的碳?xì)饽z電極，雜質(zhì)通過(guò)施加的電場(chǎng)與電解質(zhì)分離。這種無(wú)污染的分離技術(shù)是替代常規(guī)去離子方法，如反滲透和離子交換，最具有能量效率和潛在成本效益的方法。

碳?xì)饽z的合成與性能

碳?xì)饽z是Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）開(kāi)發(fā)的一類(lèi)特殊類(lèi)型的氣凝膠（充氣泡沫）。氣凝膠固體基質(zhì)由相互關(guān)聯(lián)的膠體狀碳顆?；蚓酆衔锾兼溄M成，由預(yù)制體制劑和加工條件決定。

碳?xì)饽z通常由間苯二酚和甲醛的溶膠-凝膠聚合形成，然后通過(guò)超臨界或蒸發(fā)干燥，隨后在惰性氣氛中高溫?zé)峤?。與通常是絕緣的所有其它類(lèi)型的有機(jī)和無(wú)機(jī)氣凝膠相反，所得碳?xì)饽z是導(dǎo)電的。碳?xì)饽z可以制成單塊，復(fù)合材料，薄膜，粉末或微球。

在過(guò)去幾十年中，碳?xì)饽z的化學(xué)和物理性能得到了廣泛的研究。碳?xì)饽z的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)主要由三個(gè)因素控制：

（1）起始溶液中單體結(jié)構(gòu)單元（間苯二酚）與催化劑（碳酸鈉）的摩爾比（R / C比）；（2）熱解溫度；

（3）激活程序。

R / C比率影響間苯二酚-甲醛簇的數(shù)量及大小。在低R / C值（<100）時(shí)，簇傾向于小顆粒增長(zhǎng)（<50A），并且存在高度的交聯(lián)，導(dǎo)致高的表面積和更好的互連性。在大的R / C比下（如300），所得到的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于具有較少連接性的膠體顆粒（大簇> 100A）串。在相同的R / C比下，材料表現(xiàn)出類(lèi)似的粒度。氣凝膠的密度隨間二苯酚開(kāi)始的濃度而變化。在這些情況下，高密度材料的單位體積比其低密度材料簡(jiǎn)單地具有更多交聯(lián)的顆粒。這種獨(dú)特的特征保證了可以合成具有特別大的表面積（600m 2 / g）的高密度電極材料（大約1.2g / cc）。這些性能對(duì)于在儲(chǔ)能裝置中實(shí)現(xiàn)每單位體積的大電容是必要的。

多孔碳?xì)饽z控制其結(jié)構(gòu)和性能的能力導(dǎo)致其作為先進(jìn)儲(chǔ)能裝置和電化學(xué)裝置中的電極材料的使用量的增加。空氣電容器和電吸附工藝，包括碳?xì)饽z電容去離子（CDI）的工藝都已經(jīng)成功被開(kāi)發(fā)。

研究人員開(kāi)發(fā)了薄碳?xì)饽z/碳紙復(fù)合材料，用于電化學(xué)雙層電容器和電吸附工藝實(shí)驗(yàn)。多孔和薄電極結(jié)構(gòu)改善了離子傳輸并降低了歐姆電阻。通過(guò)將間苯二酚-甲醛（RF）溶液浸漬到多孔商業(yè)碳紙中來(lái)合成復(fù)合材料。然后將這種RF /碳紙結(jié)構(gòu)在密封容器中的兩個(gè)玻璃板之間固化，防止蒸發(fā)。接著將固化的復(fù)合材料在丙酮中浸泡，隨后在室溫下干燥。 最后，將RF /碳紙?jiān)诘獨(dú)夥障聼崽幚?小時(shí)，以使間苯二酚-甲醛（RF）組分碳化。這樣就制備了具有高密度（0.8g / cm3）和大的BET表面積（例如600m2 /g）的薄電極。

雖然商業(yè)活性炭和活性炭纖維已經(jīng)顯示出較大的表面積（3000m2 / g），但是它們的密度通常比較低（0.2g / cm 3）。因此，在體積相同的基礎(chǔ)上，碳?xì)饽z的BET表面積（500m2/cm3）與從最高表面積商品材料獲得的BET表面積相當(dāng)。同樣重要的是，氣凝膠的孔徑，孔徑分布和微觀組織對(duì)于雙層的形成比來(lái)自以商業(yè)化的更有利。氣凝膠中的孔體積分布顯示了平均孔徑約5nm（50A）的高斯分布行為，但是商業(yè)材料（即活化纖維）的孔徑分析顯示出其有很多具有小于1nm（10A）直徑的孔。由于在這些小孔中不可能有雙層結(jié)構(gòu)形成，所以電化學(xué)活性（有用的）區(qū)域僅代表BET表面積的一小部分。

碳?xì)饽z電極的電化學(xué)電容器

未來(lái)的電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)將需要一些額外的動(dòng)力來(lái)快速加速或爬山。 電力傳動(dòng)的能源/電力儲(chǔ)存技術(shù)的發(fā)展仍然是低排放車(chē)輛商業(yè)化面臨的最大挑戰(zhàn)之一。而其最需要的是將高比能量（即每單位重量或體積的能量）與高比功率組合的高效且低成本的系統(tǒng)。一個(gè)可行的解決方案是混合概念，其中高能量密度電池與諸如超級(jí)電容器的高功率密度器件耦合。

超級(jí)電容器的設(shè)計(jì)是用于快速儲(chǔ)存和釋放大量能量的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置。它們通常被稱(chēng)為“雙層電容器”，因?yàn)樗鼈儗㈦姾纱鎯?chǔ)在極化的固體/電解質(zhì)界面處。 這種現(xiàn)象由電極材料的可用表面積和適當(dāng)?shù)目讖椒植家鸬摹Ｌ細(xì)饽z由于其低電阻率（<25 mohm*cm），可控的孔徑分布（5-500 A）和高比表面積和體表面積（分別為1000m2/g和500m2/cm3）而成為了理想的電極材料 。勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了基于碳?xì)饽z電極的空氣電容器。

空氣電容器（aerocapacitor）由正和負(fù)晶片薄度的（0.125mm）碳?xì)饽z電極組成。電極用電解液潤(rùn)濕的微孔隔板分開(kāi)。原型裝置已經(jīng)在水（1V /cell）和有機(jī)電解質(zhì)（3V /cell）中進(jìn)行組裝完成。水性空氣電容器的能量和功率密度分別為2Wh / Kg和8KW / Kg。這些性能值比常規(guī)電解電容器高出約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

碳?xì)饽z電極的電吸附元件

研究人員最近開(kāi)發(fā)了一種使用碳?xì)饽z電極的新型電化學(xué)分離方法，用于從水流中除去離子雜質(zhì)。一個(gè)單元（單個(gè)）由兩個(gè)碳?xì)饽z電極組成。它是不分割的，在運(yùn)行期間不使用膜材料。含有溶解離子的廢液只需要通過(guò)一堆耦合的碳?xì)饽z電極，就可以達(dá)到分離的目的。在一些簡(jiǎn)單的情況下，帶電雜質(zhì)被傳送到電極表面，并且可以靜電保持在通常為1至10nm（10至100A）厚的雙層中。然而，在大多數(shù)情況下，例如含有大量多價(jià)含氧陰離子或重金屬的廢液，分離手段則更為復(fù)雜。物理吸附，化學(xué)吸附，電沉積和/或電泳都有可能是其主要機(jī)制。Cr系統(tǒng)的結(jié)論性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和LLNL積累的廣泛成果支持這一解釋。在堆疊飽和后，通過(guò)在0V下放電完成重生過(guò)程，或者在-1.2V下通過(guò)反向極化來(lái)實(shí)現(xiàn)。反向極化可以增加再生效果和/或重新活化碳?xì)饽z電極。研究人員已經(jīng)證明在碳?xì)饽z電極上的電吸附過(guò)程優(yōu)于先前的由活性炭粉末或填充碳顆粒組成的電極的過(guò)程。

基于氣凝膠的電吸附研究已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模（10-40GPD，總?cè)芙夤腆w為50-500ppm，TDS）下處理各種陽(yáng)離子和陰離子。這些離子代表了地下含水層，海水和儲(chǔ)罐中的主要物質(zhì)（如Na ，NH4 ，Cl-，ClO4-，NO3-）。此外，許多重金屬離子（銅，鋅，鎳，鎘，鉻，鉛和鈾）可從含廢液中除去。

這種使用碳?xì)饽z的電吸附方法是無(wú)污染，高能效的。是一種潛在的可替代其他去離子技術(shù)如反滲透，離子交換和蒸發(fā)的具有競(jìng)爭(zhēng)性的方法。這種潛在應(yīng)用還包括用于化石燃料和核電廠的鍋爐水的回收，用于生物技術(shù)和半導(dǎo)體加工的超純水，軟化家庭用水，以及淡化咸水和海水。

結(jié)論

氣凝膠合成，空氣電容器和電吸附電池的發(fā)展都是未來(lái)十年的關(guān)鍵技術(shù)。 這些領(lǐng)域的最新進(jìn)展提供了巨大的潛在應(yīng)用和獨(dú)特的挑戰(zhàn)。開(kāi)發(fā)低成本，高效率的電動(dòng)汽車(chē)將在混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。具有重要意義的是電吸附過(guò)程的可用性將與當(dāng)前的去離子技術(shù)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)。目前這種技術(shù)在技術(shù)開(kāi)發(fā)方面為危險(xiǎn)廢物的處理并修復(fù)受污染的地下水提供了獨(dú)特的解決方案。在廣泛領(lǐng)域的潛在應(yīng)用領(lǐng)域值得特別考慮和進(jìn)一步發(fā)展。因此具有特殊性質(zhì)的碳?xì)饽z的定制是一項(xiàng)極大的挑戰(zhàn)。

PS:文中的主要應(yīng)用領(lǐng)域空氣電容器（aerocapacitor）和電吸附元件（absorption cells）兩個(gè)主要名詞，小編查閱了很多資料材料暫定為這樣的翻譯，有更為準(zhǔn)確的翻譯可以在文下留言。希望大家能共同進(jìn)步。