生物质基碳气凝胶的研究进展

碳气凝胶是一种新型的纳米多孔碳材料,具有孔隙率高、比表面积大、导电性能优良、耐高温等优点,在催化剂载体、电容器及吸附材料等领域具有广阔的应用前景。与传统的碳气凝胶相比,生物质基碳气凝胶具有前驱体环保可再生的优势,可为生物质高值化、功能化利用提供新思路。本文在简单介绍生物质基碳气凝胶制备过程（包括溶胶-凝胶化、干燥、炭化）的基础上,重点介绍了3类来自不同生物质前驱体（植物纤维素、细菌纤维素和具有三维多孔结构的植物本身）碳气凝胶的制备方法,并对碳气凝胶及其复合材料在催化剂载体、吸附材料、超级电容器、锂离子电池方面的应用进行了综述,最后对生物质基碳气凝胶的研究方向和发展前景进行总结和展望。     

纤维素基碳气凝胶研究进展

介绍了纤维素碳气凝胶原材料的主要来源及各原材料的特点,重点举例阐述可直接利用型纤维素制备纤维素基碳气凝胶材料的不同工艺方法,综合分析了纤维素基碳气凝胶作为多功能材料的一些前沿的应用研究。总结了该领域存在的挑战并展望了纤维素基碳气凝胶的发展前景。     

细菌纤维素基炭气凝胶的制备及吸油性能

采用细菌纤维素为原料,经冷冻干燥制得细菌纤维素基气凝胶,通过高温炭化处理,制备出细菌纤维素基炭气凝胶。采用扫描电镜(SEM)、N_2吸附脱附曲线对产物的形貌、孔结构进行了分析。结论表明:气凝胶和炭气凝胶均具有良好的三维空间网状结构,孔径分布均匀,大多为连贯的致密中孔结构,结构骨架完整稳定,炭化后孔隙结构无明显塌陷。吸油实验表明:炭气凝胶对油类和有机溶剂有较高的吸附性能,吸附能力是自身重量的150~240倍,其中对液体石蜡的吸附性能最大,吸附倍率达到240倍。     

纤维素基超疏水材料的现状分析

近年来超疏水材料的应用领域越来越广泛,对超疏水材料的机械强度、耐磨性、透光度、重复利用性等性能方面的要求越来越高,原料的绿色环保性要求也日渐提高。生物质原料种类多、储量大,占据着可再生资源的主导地位。纤维素作为生物质原料的下游精细产品,具有绿色环保、储量大、应用灵活的优点。本文简单介绍了纤维素基超疏水材料的发展历程、特点及应用,重点分析了水热法、化学沉积法、原子转移自由基聚合和溶胶-凝胶法(纤维素/SiO₂超疏水材料和纤维素基气凝胶)等超疏水改性方法在制备纤维素基超疏水材料中的应用。最后对纤维素基超疏水材料的未来发展进行了展望。     

Ce-N共掺杂TiO_2/纤维素气凝胶的制备及光催化性能

以微晶纤维素为原料,NaOH/尿素体系为溶剂,制备纤维素水凝胶。以钛酸四丁酯、硝酸铈等为原料,与纤维素水凝胶复合,制备Ce及Ce-N共掺杂TiO_2/纤维素复合气凝胶。采用扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)对其进行表征,并采用吸附亚甲基蓝的方法对其光催化性能进行测试。研究结果表明Ce-N共掺杂TiO_2/纤维素复合气凝胶为白色固体。XRD和FT-IR分析结果表明复合气凝胶内含有钛元素。SEM分析结果表明复合气凝胶仍具备纤维素气凝胶的三维网状结构,孔隙变小。光催化及紫外分析结果表明掺铈提高了纤维素气凝胶原有的光催化性能,且Ce/Ti质量比为4%时光催化效果最好。     

介孔碳球的制备研究进展

作为一类新型球形介孔碳材料,介孔碳球具有较大的比表面积及孔容、可调的孔径、易于修饰的表面、良好的化学稳定性和机械性等特性,因此在环境治理、能量储存与转化、生物医药、催化应用和功能材料等领域有着巨大的应用潜力.综述了模板法、St?ber法、水热碳化法、微乳聚合法以及组合法等制备介孔碳球的相关研究,提出了介孔碳球在制备方面...     

甘蔗渣纤维素基碳气凝胶的制备及吸附性能研究

通过对甘蔗渣进行碱/酸处理提取甘蔗渣纤维素,采用氢氧化钠/脲溶液将纤维素溶解,并通过在水中再生、冷冻干燥及在不同温度下碳化,制备具有优异疏水吸油性能的甘蔗渣纤维素基碳气凝胶。采用扫描电镜（SEM）、红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）、BET法比表面积、水接触角（WCA）等测试方法对制备的甘蔗渣纤维素基碳气凝胶进行分析表征,并进行不同油类和有机溶剂的吸附、解吸实验。结果表明,制备的甘蔗渣纤维素基碳气凝胶拥有不规则的片-孔式网络状三维结构,具有轻质、高疏水、高比表面积等特性。高温碳化不仅可以改善碳气凝胶的轻质抗压性能、比表面积和孔径,还可以增强其疏水性及吸附性能。当碳化温度为800 ℃时,制备的CA-2-800表现出较好的轻质性（密度为33.4 mg/cm³）、高疏水性（水接触角为136°）和高比表面积（468.24 m²/g）。CA-2-800对柴油、汽油、泵油、正己烷、甲苯、三氯甲烷具有较好的吸附能力（20.2~66.3 g/g）。吸附动力学研究表明,CA-2-800在30 s内对汽油、柴油均能达到吸附平衡,且对三氯甲烷进行10次吸附-解吸循环吸附实验仍保留97%的吸附性能。     

利用玉米秸秆纤维素制备碳气凝胶的研究

将玉米秸秆中的纤维素通过碱处理以及漂白处理的方法提取出来，再将玉米秸秆纤维素分散在水中，并通过超声以及冷冻干燥的方法制成玉米秸秆纤维素气凝胶，最后将气凝胶高温碳化制得玉米秸秆纤维素碳气凝胶。通过扫描电镜（SEM），红外光谱（FT-IR）,X射线衍射仪，水接触角（WCA）等对玉米纤维素气凝胶以及碳气凝胶进行表征测试，并使用不同油类以及有机溶剂进行玉米秸秆纤维素碳气凝胶的吸附、解吸实验。结果表明，制备的玉米秸秆纤维素碳气凝胶（CA-200）相较于同质量比的气凝胶（AE-200）具有更好的三维结构以及优良的疏水性能。制得的碳气凝胶其水接触角能达到135°，并且其对植物油、润滑油以及乙醇的吸附性能可达自身质量的80～140倍。相较于没有经过碳化的气凝胶AE-200的吸附性能提升了50倍左右。     

纤维素基凝胶材料在储能领域的研究进展

从纤维素的结构入手,综述了纤维素基凝胶材料特有的层级结构、双亲性、环保等特点.重点阐述了纤维素基凝胶材料在电池及超级电容器领域的研究现状,分析了两种用于电池电极的凝胶材料,其中以纤维素为骨架的凝胶材料廉价、机械性能佳,碳气凝胶材料则在导电性、能量密度等方面表现优异.基于纤维素及其衍生物制得的凝胶聚合物电解质及粘结剂具有...     

碳气凝胶及其在污水处理中的应用

碳气凝胶是由碳纳米材料形成的三维多孔网络结构材料,具有比表面积大、孔隙率高、化学性质稳定和结构可调等优点,被广泛用于水污染处理中,用于去除油、有机溶剂、染料、重金属离子等。综述了碳气凝胶及其复合材料的研究进展,讨论了有机碳气凝胶、生物质基碳气凝胶、石墨烯基碳气凝胶三类碳气凝胶材料的组成、制备和吸附性能,总结了碳气凝胶在水处理中的应用并简要分析了碳气凝胶材料当前面临的挑战以及未来的发展前景。     

酚醛基炭气凝胶的研究进展

炭气凝胶是一种多孔纳米炭材料,具有低密度、高孔隙率、高比表面积、优异的导电性和良好的成型性能等优点,是炭材料研究的热点和重要方向。本文旨在通过阐明酚醛基炭气凝胶的制备原料和制备工艺的发展过程,从而突出未来酚醛基炭气凝胶的发展方向。基于此,本文首先重点介绍了酚醛基炭气凝胶的制备方法,主要包括溶胶-凝胶化、干燥以及炭化过程三个最主要的步骤;进而详述了以三种不同的前体,即间苯二酚、苯酚、生物质单宁/木质素分别制备酚醛基炭气凝胶的方法及其优缺点;接下来对酚醛基炭气凝胶作为吸附材料（气体吸附/液体吸附）的吸附量以及在电化学储能以及其他领域的应用进行了综述;最后对酚醛基炭气凝胶未来的研究方向和发展前景进行了总结和展望。文章指出,传统的以间苯二酚为原料辅以超临界干燥的方法制备的酚醛基炭气凝胶,原料成本较高,反应条件苛刻,实际生产应用受限;以苯酚取代间苯二酚,亦或是采用冷冻干燥等方法改进其制备工艺,可以大幅度降低原料和生产成本;但未来的发展方向和重点将是绿色、可再生的生物质原料（单宁、木质素、腰果酚等）及复合气凝胶材料的研发。因此,酚醛基炭气凝胶在未来的发展还需要进一步改进其制备工艺和方法,拓宽其原料来源,从而提高性能,扩大应用领域。     

氧化硅气凝胶绝热材料及其建筑减碳应用

无机氧化硅气凝胶因具有超低导热系数、A级不燃、吸湿率低、轻质等特点,在航天航空、工业及建筑领域的节能减碳方面具有广泛的应用潜力。然而氧化硅气凝胶力学性能差、制备成本高等缺点限制了其发展应用。介绍了氧化硅气凝胶绝热材料制备工艺的研究进展,对氧化硅气凝胶在建筑领域的应用形式（如超轻气凝胶泡沫混凝土、超高性能气凝胶保温隔热板、超低传热系数气凝胶节能玻璃等）进行了综述,并对氧化硅气凝胶在建筑节能领域的发展方向进行了展望。响应碳中和发展目标,随着气凝胶制备技术的发展与成本降低,氧化硅气凝胶绝热材料将在建筑墙体保温隔热方面广泛应用,同时对其性能提出了更多功能性要求,对氧化硅气凝胶材料还需开展更系统的基础研究以及工程应用技术研发,推动建筑领域的节能减碳与可持续发展。     

Preparation of carbon aerogel by ambient pressure drying and its application in lithium/sulfur battery

Formaldehyde, resorcinol, and sodium acetate were used to synthesize the carbon aerogels by ambient pressure drying. The effect of the ratio of resorcinol and sodium acetate for carbon aerogels was researched by scanning electron microscope and Brunauer-Emmett-Teller characterizations. Then the carbon aerogels were applied in synthesizing sulfur/carbon aerogel composites through a melting method, the specific capacity and cycle performance of lithium/sulfur batteries that adopted the prepared composites as cathodes were measured by galvanostatic discharge?Ccharge. X-ray diffraction, conductivity measurement, cyclic voltammetry, and electrochemical impedance spectra tests were also carried out to help explain the electrochemical performance. Finally, the carbon aerogel with the best properties was chosen for the comparative study of replacement of water by acetone as solvent in the preparation of carbon aerogels. According to our study, the carbon aerogel prepared by ambient pressure drying with high electrical conductivity, controllable pore structure, and high specific surface area was proposed to be used for lithium/sulfur batteries, and the key factors to the performance of carbon aerogel/sulfur composites were discussed.     

Hydrophobic nanocellulose aerogels with high loading of metal-organic framework particles as floating and reusable oil absorbents

In this paper, we employed a facile approach to prepare flexible and porous metal-organic frameworks (MOFs) containing cellulose nanofiber (CNF) aerogels (MNCAs) through freeze-drying MOF-containing cellulose nanofiber suspensions. After coating with methyltrimethoxysilane (MTMS) by chemical vapor deposition, recycled and hydrophobic MTMS-coated MNCAs (MMNCAs) were obtained. Due to the low density (0.009 g/cm³), high porosity (97%) and good mechanical properties of the aerogel, the adsorption capacity of MMNCAs reached up to 210 g/g, which was nearly 3–5 times that of pure CNF aerogels. These prepared aerogels showed excellent oil/water selectivity and high capacity to adsorb oil and organic solvents. This kind of cellulose-based aerogel may be applicable in the field of environmental protection.     

碳气凝胶电极在双电层电容器中的研究进展

通过与无机气凝胶对比,引入碳气凝胶的导电特性。简述了双电层电容器的基本工作原理,综述了碳气凝胶在双电层电容器电极材料方面的研究进展。总结了碳气凝胶电极制备过程中关键因素,并提出了一些研究展望。     

Superelastic,fatigue resistant and heat insulated carbon nanofiber aerogels for piezoresistive stress sensors

Ultralight flexible carbon aerogels have been applied in many fields but are always hampered due to their weak mechanical stability, large energy dissipation, and complex preparation methods. Here, a novel polyimide-derived carbon nanofiber aerogel with high fatigue resistance and excellent flexibility is prepared by using the designed “fiber gluing” to construct the elastic continuous fibrous network. The as-prepared carbon nanofiber aerogels exhibit ultralow density of 6.6 mg cm⁻³, excellent fire-resistant performance when exposing to alcohol flames (650 °C), and robust elastic resilience even under 55% compressive strain. In particular, the carbon nanofiber aerogels show ultralow plastic deformation (only 1.3%) and low energy dissipation (<0.22) after 1000 cyclic loading-unloading tests at 55% compressive strain. Benefiting from their excellent flexibility and robust mechanical stability, the as-prepared carbon nanofiber aerogel are a promising candidate in the application of wearable devices and piezoresistive stress sensors.     

炭气凝胶的常压干燥制备研究

实验以间苯二酚(Resorcinol,简称R)与甲醛(Formaldehyde,简称F)以一定的摩尔比混合,加入二次去离子水作为溶剂并用碱性试剂作为催化剂,在恒温水浴中生成RF湿凝胶。在常温下用丙酮浸泡湿凝胶以置换水,制备出RF凝胶。最后将RF气凝胶置于管式炉中,在氮气保护气氛下,高温炭化得到炭气凝胶,并用TG-DTA,XRD、高倍显微镜等方法对其表面形貌及结构进行分析。     

Fabrication and Physical Properties of Organic and Carbon Aerogel Derived from Phenol and Furfural

Phenol can be used as a cheap raw material to prepare organic and carbon aerogels based upon the gelation and supercritical drying in ethanol. In addition, organic and carbon aerogels could also be obtained by directly drying phenol-furfural alco-gels at ambient pressure under proper preparation conditions. The effect of the preparation conditions, such as the phenol-furfural (PF) concentration, the mass ratio of HCl to phenol (HCl/P), the mole ratio of phenol to furfural (P/F) and the gelation temperature, on the gelation ability and the bulk density was studied. The aerogels obtained have a three-dimensional network that consists of approximately 20 nm particles, which define numerous mesopores with diameter less than 50 nm. Organic aerogels obtained have high BET surface areas of 267–503 m/g and large mesopore volumes of 0.657–2.734 cm/g. Carbonization generates numerous micropores of ca. 0.45 nm in diameters but impairs to some extent the mesopore structure. As a result, carbon aerogels have high BET surface areas of 507–561 m/g, large micropore volumes of 0.106–0.168 cm/g and small mesopore volumes of 0.505–0.710 cm/g relative to their organic aerogel precursors. XRD characterization indicates that carbon aerogels are more crystalline than activated carbon but less than graphite.     

新型纳米颗粒/SiO2复合气凝胶制备及吸附催化应用进展

SiO₂气凝胶作为一种新型多孔网络结构材料,具有高比表面积、低热导率及低折射率等优异性能,在多领域具有广泛的应用前景,但是纯SiO₂气凝胶存在力学强度低、质脆易裂等缺陷,严重制约了其规模化应用。因此,如何提升气凝胶的力学性能成为突破其产业化瓶颈的重点。目前,通过引入功能性增强相是改善SiO₂气凝胶多孔骨架强度和柔韧性的最有效途径之一。本综述首先介绍了SiO₂气凝胶制备及复合改性方法;然后对功能纳米颗粒/SiO₂复合气凝胶合成进行探讨,分析了不同维度纳米材料如0D金属氧化物颗粒、1D纳米管/纳米纤维、2D氧化石墨烯纳米片（GO）以及3D金属有机骨架材料（MOFs）对气凝胶孔道结构和表面物化特性的影响,最后,论述了SiO₂复合气凝胶在环境吸附催化领域中的应用潜力。