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1炭干凝膠的制備及改性

1．1炭干凝膠的制備

傳統炭凝膠的制備一般經過有機凝膠的形成、干燥和炭化過程3個步驟，炭干凝膠的具體合成步驟如下：首先采用間苯二酚和甲醛為原料在堿性催化劑下合成聚合物中間體，再經過進一步的交聯形成空間網絡狀結構的氣凝膠；然后在常壓下直接蒸發干燥；最后在惰性氣氛（氮氣或氬氣）或真空條件下高溫炭化。經上述步驟制得的炭干凝膠具有比表面積大、導電性能好等特性。炭干凝膠是指在干燥步驟采用常壓干燥的方式制備所得的材料。盡管常壓干燥會引起材料孔道塌陷，但因其成本低廉成為近年來研究的熱點。

1．2炭干凝膠的改性

近年來，國內外學者采用摻雜和復合的方法對炭干凝膠進行改性，改善并提升了其物理化學性質，使其更為廣泛地應用于各個領域。

1．2．1氮摻雜炭干凝膠

Castilla等采用3－羥基吡啶等為氮源合成了氮摻雜炭干凝膠，研究結果表明，采用不同的原料配比和不同的炭化溫度（500～900℃）可以得到一系列氮含量不同的炭干凝膠。Gorgulho等在間苯二酚和甲醛為原料的基礎上，添加三聚氰胺和尿素為氮源，成功合成了氮摻雜炭干凝膠，以調控炭干凝膠的表面功能基團。結果表明，經過氮源摻雜合成的炭干凝膠，材料的表面堿度均有提升。

1．2．2金屬摻雜炭干凝膠

為了增強炭干凝膠的導電、催化等性能，很多學者成功制備了各種金屬摻雜的炭干凝膠。Pramanik等成功合成了錳、鈷和鈣等金屬摻雜的炭干凝膠，研究了金屬摻雜對材料比表面積及形貌的影響。研究結果表明，當間苯二酚與甲醛摩爾比為0．35，初始酚醛樹脂溶液pH為3．0，摻雜的錳鹽同間苯二酚質量比為11％時，得到的錳摻雜炭干凝膠比表面積最大。Liu等對鐵、鈷和鎳摻雜的炭干凝膠進行了表征，并對其磁性進行了檢測。結果表明，不同金屬摻雜對炭干凝膠的結構性質有顯著影響，3種金屬摻雜的炭干凝膠在室溫下均呈現出典型的鐵磁特性。

1．2．3炭干凝膠復合材料

Gomes等采用溶膠－凝膠法合成了二氧化鈦－炭干凝膠的復合材料，炭干凝膠作為載體增強了二氧化鈦與鉑顆粒的結合作用，該復合材料也成功應用于鉑納米顆粒的光化學沉積。此外，Fernández等成功合成了碳納米管－炭干凝膠的復合材料，通過循環伏安法、充放電等手段對該復合材料的電化學性質進行測試后發現，碳納米管的引入提升了材料的電容，而且在提升材料有效固相電導率的同時，還提升了液相電導率。

2炭干凝膠的應用研究進展

2．1儲氫

近年來，多孔炭材料因其具有高比表面積和輕質的網狀結構被廣泛地應用于儲氫領域。Tian等采用酸性催化劑合成了炭干凝膠，并測試了其儲氫性能。結果表明，在pH為4．8的條件下合成的炭干凝膠，比表面積為1924m2／g，微孔容積為0．86cm3／g。在溫度為77K以及壓力為3．9MPa的條件下，合成所得炭干凝膠的儲氫量為4．65％（wt，質量分數），證實了炭干凝膠是一種極具前景的儲氫材料。

2．2電化學領域

炭干凝膠由于具有成本低廉、高比表面積和高電導率等優良性能，是一種理想的電極材料。FernNdez等將炭干凝膠用于電化學超級電容器，通過循環伏安法、計時電勢分析法及交流阻抗測試研究了電容器阻抗理化參數同電化學行為之間的關系，研究結果表明炭干凝膠具有極高的比電容，可達280F／g。此外，炭凝膠電容器電吸附去除水溶液中重金屬和無機鹽的研究表明炭干凝膠用作電吸附劑在水體凈化等領域擁有廣闊的應用空間。

2．3催化劑及其載體

炭干凝膠所具備的比表面積大、穩定性好、高度交聯的多孔結構等特性使之成為催化劑及其載體的最佳選擇。Xin等采用錳摻雜的炭干凝膠作為催化劑，進行了液相放電等離子體去除微囊藻毒素的研究，隨著炭干凝膠的加入，微囊藻毒素的去除率從75．3％提升到90．2％，并提出了相應的氧化－吸附動力學模型。Xu等將炭干凝膠作為金催化劑的載體，并篩選了用于苯甲醇選擇性氧化的最佳載體，原因在于炭干凝膠材料表面具有足量的含氧官能團。Rodrigues等同樣將金催化劑負載于炭干凝膠上，并將其用于甘油的氧化，通過改變炭干凝膠的中孔大小來改變催化劑的選擇性。此外，Ale－gre等將鉑負載在炭干凝膠上用來催化甲醇的電氧化，同催化劑Pt／E－TEK相比，其催化性能提升了2倍多。炭干凝膠還可以用作用作質子交換膜燃料電池的催化劑載體，該催化劑具有較高的循環電壓和一氧化碳及甲醇氧化電流，并且在采用炭干凝膠作為催化劑載體的燃料電池中，貴金屬顆粒的燒結趨勢很小。還有許多研究人員將炭干凝膠作為催化劑用于污染物的催化氧化。CA等研究了炭干凝膠以及二氧化鈰摻雜的炭干凝膠催化臭氧氧化的性能。對草酸的催化臭氧氧化結果表明，所有的催化劑均能在1h內將其全部降解。

2．4環境保護領域

在環境保護領域，炭干凝膠已廣泛地應用于水處理方面。Ca等將炭干凝膠應用于亞甲基藍的吸附。結果表明，炭干凝膠微孔容積和微孔比表面積的增加能夠顯著提升其對亞甲基藍的吸附量，并且通過朗格繆爾模型計算得到的結合能同商業的微孔活性炭相比有了45倍的提升。Figueiredo等將制備得到的炭干凝膠用于2種陰離子染料的吸附，獲得了良好的吸附效果。Almazan等研究了炭干凝膠結構特性對于揮發性有機物甲基碘動力學吸附的影響，結果表明吸附量同孔容密切相關，而且內擴散的傳質阻力同孔結構密切相關。此外，Girgis等將炭干凝膠用于水中銅離子的吸附，吸附量為32～130mg／g，該研究為去除水體中的重金屬離子提供了一種新型的納米級多孔性炭材料。

3結語與展望

炭干凝膠作為一種新型的納米材料。具有許多獨特的性能，在近年來引起了廣泛關注。針對目前存在的問題，炭干凝膠今后努力的方向大致為以下幾個方面。

（1）制備工藝的完善與創新。

雖然目前國內外已經成功合成了不同孔徑結構的炭干凝膠，并采用各種手段對其進行了性能改良，但是離實現產業化還有一定的距離。尋求適合工業發展的制備工藝，簡化流程、降低生產成本是今后努力的方向。

（2）理論體系的完善。

盡管目前已經對炭干凝膠合成的機理有了很深入的研究，但如何實現孔徑結構的完全可控還需要進一步的研究。此外，在炭干凝膠網絡結構的形成機理以及聚合單體的生長動力學等方面也需要進一步的努力。

（3）應用領域的進一步拓展。

雖近年來炭干凝膠的應用研究已經涉及到各個領域，已取得相應的研究成果，但總體而言應用范圍還需要進一步探索和開發。

作者：余呈祥雷樂成楊彬單位：浙江大學生物質化工教育部重點實驗室