全碳气凝胶是什么？

　　全碳气凝胶是什么?“气凝胶”是半固体状态的凝胶经干燥、去除溶剂后的产物，外表呈固体状，内部含有众多孔隙，充斥着空气，因而密度极小。2012年底，浙江大学的科学家们研制出了一种超轻材料，这种被称为“全碳气凝胶”的固态材料密度仅每立方厘米0.16毫克，是空气密度的六分之一，也是迄今为止世界上最轻的材料。

　　气凝胶，一般是将湿凝胶中溶剂脱除，而获得的由纳米颗粒连接而成的三维网络。具有超低密度，大孔体积、高比表面巧等特点，被广泛用于催化、吸附、能量存储等多个方面。其中碳气凝胶作为一种新型多孔碳材料，更具有着不溶不熔的特点，在过去十几年尤其受到关注。所提全碳气凝胶主要分为一下几类：1，聚合物基碳气凝胶;2，碳纳米管气凝胶;3，石墨烯气凝胶。

　　1. 聚合物基碳气凝胶。

　　这一类碳气凝胶是通过碳化有机物气凝胶得到。制备过程主要分成三个阶段，第一步制备溶胶混合液，并固化成湿凝胶;第二步对湿凝胶进行干燥;第三步碳化及活化干凝胶，

　　第二步，超临界干燥得到的是气凝胶，与干凝胶相比，具有更高的比表面积和孔体积。除了超临界干燥，冷冻干燥也是不错的选择：先将溶剂变成冰，再由升华除去，避免了气-液界面的形成，同样可保持湿凝胶的骨架结构。

　　第三步，第二阶段就是对有机气凝胶进行碳化活化。在氮气或者氩气气氛下，将气凝胶加热至2500摄氏度，除去有机气凝胶中氧和氨，得到相对高纯度的碳材料。

　　经过2500摄氏度之后，成分依然主要是玻璃碳，并没有石墨的形成，第三种将会介绍石墨烯气凝胶。下图为XRD图谱证明并没有石墨的形成，仅仅是多了更多的有序碳结构。

　　2. 碳纳米管气凝胶

　　碳纳米管发现于1991年，拥有着极高的导电率、超高的热导率和优异的机械性能。

　　主要有两种制备方法，一种CVD法，具有极好的弹性，当受力时，在垂直受力方向产生墙皱弯曲，外力撤除时恢复原状，如此可往复上千次。另一种是碳纳米管凝胶，PVA增强后气凝胶强度明显上升，可承受白身重量的8000倍的重量。

　　3，石墨烯气凝胶

　　石墨烯拥有优异的光、电、热、机械等性能，但这些性能都是基于单片石墨烯而言的，为了真正利用石墨痛的这些优势，必须将其组装成宏观材料，如一维纤维、二维薄膜、三维气凝胶等。其中气凝胶低密度、高孔隙率和比表面积等优点，迅速引起研究者兴趣。目前石墨烯气凝胶的制备主要有两种方法，模扳导向法和溶液组装法。

　　此法以泡沫金属作为模板，甲烷气体作为碳源，在泡沫表面石墨化，再通过刻蚀制备石墨烯气凝胶。

　　溶液组装石墨烯气凝胶

　　冰模板组装法：低湿下氧化石墨婿分散液中的水凝固成冰，此时氧化石墨烯会贴合在冰晶表面连成网络，随后将冰升华去除，即可得到三维多孔石墨烯材料。

　　硬模板组装法：冰模板法原位生成的冰晶作为模板，对于气凝胶孔洞尺寸控制困难，而硬模板法则是添加客体材料作为模扳，可有效控制孔径和颗粒形态，常用的模扳有聚苯、碳乙烯微球、空心二氧化珪等，制备出的气凝胶孔径通常在几百纳米到几微米之间。

　　溶液凝胶法：溶胶凝胶法，即氧化石墨烯分散液为起始原料，经由湿凝胶制备气凝胶的方法。GO片表面含有大量含氧官能团，如幾基、楚基、环氧等，极大的提高了GO片的亲水性能，而其亲面未被破坏的共扼网络提供了疏水性能，因此GO片从结构上可视为同时具有疏水和亲水性能的两亲性大分子。

　　一定浓度的高分子溶液或溶胶，在适当条件下，粘度逐渐增大，最后失去流动性，整个体系变成一种外观均匀，并保持一定形态的弹性半固体，这种弹性半固体称为凝胶。

　　果冻是最早被科学家们认识的一种凝胶，这种凝胶是被水或其他液体充满后形成的。还有一些凝胶是被气体充满后构成的，这就是“气凝胶”。

　　1931年，美国科学家Samuel StephensKistler制备出了这种新材料，命名为“aerogel”，气凝胶。“aero”+“gel”描绘出这种新材料的特点，即一种由气体填充的凝胶。

　　气凝胶相比于普通多孔材料有一个重要的特点：其骨架在纳米尺度。因此，当可见光穿过时散射较小，看上去像“冻住的烟”。

　　气凝胶密度极低，是世界上最轻的固体。目前，最轻的气凝胶是一种“全碳气凝胶”，密度仅有0.16mg/cm3(去除空气密度)，仅为空气密度的1/6。把这种材料放在花朵上，柔软的花蕊几乎没有变形。

　　气凝胶由于其高比表面积、高孔隙率、低密度和低热导率等优异性能，已被广泛应用于隔热保温、吸附、催化和能源等领域，但随着气凝胶应用领域的越发广泛，普遍应用于650 ℃及以下隔热领域的传统SiO2气凝胶在高温下结构易坍塌，致使材料致密化，从而丧失其优异性能，其他氧化物基气凝胶的高温热稳定性也有待进一步加强，高温局限性极大地限制了氧化物基气凝胶在高温领域的应用。

　　碳化物是一种高硬度、高熔点和化学性质稳定的化合物，一般通过原位生成法制得，在制备过程中控制工艺参数将碳化物制成气凝胶结构，可提升气凝胶材料的使用性能，与传统的二氧化硅气凝胶相比，碳气凝胶具有更高的强度、更大的孔隙率、更小的颗粒直径、更大的比表面积及更低的高温热导率，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。

　　据研究报告指出，2016 年全球气凝胶年市场价值已达5. 129 亿美元，按照复合年增长31. 8%估算，到2026 年全球气凝胶年市场价值将达80 多亿美元。碳气凝胶及其衍生物作为气凝胶市场的重要组成部分，已经成为一种业界重点发展的新型气凝胶材料。