【材料 】說：

我們現(xiàn)在通常所說的氣凝膠一般是指二氧化硅氣凝膠，這是因為國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)化的氣凝膠大都是圍繞著這個材料的隔熱性能進行的。今天我們介紹另外一種氣凝膠——碳氣凝膠。

與傳統(tǒng)的無機氣凝膠(如硅氣凝膠)相比，碳氣凝膠具有許多優(yōu)異的性能和更加廣闊的應(yīng)用前景。碳氣凝膠具有比表面積大、密度變化范圍廣等特點，是制備雙電層電容器理想的電極材料。碳氣凝膠是唯一具有導電性的氣凝膠，可用于超級電容器的電扳材料。有機氣凝膠及碳氣凝膠具有生物機體相容性，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。由于碳氣凝膠的組成元素(碳)原子序數(shù)低，因而用于Cerenkov探測器時優(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）有機氣凝膠并由其碳化得到碳氣凝膠以來，這一領(lǐng)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(nèi)尚未見系統(tǒng)報道，相關(guān)的報道僅有2016年4月份浙江大學高超教授研制出全碳氣凝膠和2016年11月份中國科學技術(shù)大學教授俞書宏課題組與國際同行合作，提出了三維模板法制備酚醛樹脂（PF）基碳氣凝膠的理念，成功發(fā)展了兩種三維模板制備碳氣凝膠的新方法，即聚合物分子鏈軟模板和鹽硬模板法這兩則報道。

碳氣凝膠由于其結(jié)構(gòu)的獨特性，具有廣泛的應(yīng)用。而在其許多應(yīng)用中，碳氣凝膠被發(fā)現(xiàn)在一些電化學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）由碳氣凝膠作為電極，是具有高功率密度，高能量密度的電化學雙層電容器。該裝置通過在電極/電解質(zhì)界面處的靜電電荷分離來存儲電能，被用于負載調(diào)平電源和電動動力列車。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機鹽離子的案例中。具有各種陰離子和陽離子的廢液流過一堆帶電荷的碳氣凝膠電極，雜質(zhì)通過施加的電場與電解質(zhì)分離。這種無污染的分離技術(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。

碳氣凝膠的合成與性能

碳氣凝膠是Lawrence Livermore國家實驗室（LLNL）開發(fā)的一類特殊類型的氣凝膠（充氣泡沫）。氣凝膠固體基質(zhì)由相互關(guān)聯(lián)的膠體狀碳顆粒或聚合物碳鏈組成，由預(yù)制體制劑和加工條件決定。

碳氣凝膠通常由間苯二酚和甲醛的溶膠-凝膠聚合形成，然后通過超臨界或蒸發(fā)干燥，隨后在惰性氣氛中高溫熱解。與通常是絕緣的所有其它類型的有機和無機氣凝膠相反，所得碳氣凝膠是導電的。碳氣凝膠可以制成單塊，復(fù)合材料，薄膜，粉末或微球。

在過去幾十年中，碳氣凝膠的化學和物理性能得到了廣泛的研究。碳氣凝膠的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)主要由三個因素控制：

（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，簇傾向于小顆粒增長（<50A），并且存在高度的交聯(lián)，導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)出類似的粒度。氣凝膠的密度隨間二苯酚開始的濃度而變化。在這些情況下，高密度材料的單位體積比其低密度材料簡單地具有更多交聯(lián)的顆粒。這種獨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）。這些性能對于在儲能裝置中實現(xiàn)每單位體積的大電容是必要的。

多孔碳氣凝膠控制其結(jié)構(gòu)和性能的能力導致其作為先進儲能裝置和電化學裝置中的電極材料的使用量的增加?？諝怆娙萜骱碗娢焦に?，包括碳氣凝膠電容去離子（CDI）的工藝都已經(jīng)成功被開發(fā)。

研究人員開發(fā)了薄碳氣凝膠/碳紙復(fù)合材料，用于電化學雙層電容器和電吸附工藝實驗。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。通過將間苯二酚-甲醛（RF）溶液浸漬到多孔商業(yè)碳紙中來合成復(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 /碳紙在氮氣氛下熱處理3小時，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，碳氣凝膠的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。同樣重要的是，氣凝膠的孔徑，孔徑分布和微觀組織對于雙層的形成比來自以商業(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，所以電化學活性（有用的）區(qū)域僅代表BET表面積的一小部分。

碳氣凝膠電極的電化學電容器

未來的電動和混合動力汽車將需要一些額外的動力來快速加速或爬山。 電力傳動的能源/電力儲存技術(shù)的發(fā)展仍然是低排放車輛商業(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電容器的高功率密度器件耦合。

超級電容器的設(shè)計是用于快速儲存和釋放大量能量的電化學儲能裝置。它們通常被稱為“雙層電容器”，因為它們將電荷存儲在極化的固體/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?shù)目讖椒植家鸬?。碳氣凝膠由于其低電阻率（<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·利弗莫爾國家實驗室的研究人員已經(jīng)開發(fā)出了基于碳氣凝膠電極的空氣電容器。

空氣電容器（aerocapacitor）由正和負晶片薄度的（0.125mm）碳氣凝膠電極組成。電極用電解液潤濕的微孔隔板分開。原型裝置已經(jīng)在水（1V /cell）和有機電解質(zhì)（3V /cell）中進行組裝完成。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數(shù)量級。

碳氣凝膠電極的電吸附元件

研究人員最近開發(fā)了一種使用碳氣凝膠電極的新型電化學分離方法，用于從水流中除去離子雜質(zhì)。一個單元（單個）由兩個碳氣凝膠電極組成。它是不分割的，在運行期間不使用膜材料。含有溶解離子的廢液只需要通過一堆耦合的碳氣凝膠電極，就可以達到分離的目的。在一些簡單的情況下，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，化學吸附，電沉積和/或電泳都有可能是其主要機制。Cr系統(tǒng)的結(jié)論性實驗數(shù)據(jù)和LLNL積累的廣泛成果支持這一解釋。在堆疊飽和后，通過在0V下放電完成重生過程，或者在-1.2V下通過反向極化來實現(xiàn)。反向極化可以增加再生效果和/或重新活化碳氣凝膠電極。研究人員已經(jīng)證明在碳氣凝膠電極上的電吸附過程優(yōu)于先前的由活性炭粉末或填充碳顆粒組成的電極的過程。

基于氣凝膠的電吸附研究已經(jīng)在實驗室規(guī)模（10-40GPD，總?cè)芙夤腆w為50-500ppm，TDS）下處理各種陽離子和陰離子。這些離子代表了地下含水層，海水和儲罐中的主要物質(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。

這種使用碳氣凝膠的電吸附方法是無污染，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)的具有競爭性的方法。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)展都是未來十年的關(guān)鍵技術(shù)。 這些領(lǐng)域的最新進展提供了巨大的潛在應(yīng)用和獨特的挑戰(zhàn)。開發(fā)低成本，高效率的電動汽車將在混合動力汽車的發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。具有重要意義的是電吸附過程的可用性將與當前的去離子技術(shù)產(chǎn)生競爭。目前這種技術(shù)在技術(shù)開發(fā)方面為危險廢物的處理并修復(fù)受污染的地下水提供了獨特的解決方案。在廣泛領(lǐng)域的潛在應(yīng)用領(lǐng)域值得特別考慮和進一步發(fā)展。因此具有特殊性質(zhì)的碳氣凝膠的定制是一項極大的挑戰(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，有更為準確的翻譯可以在文下留言。希望大家能共同進步。