全碳气凝胶的主要分子是什么，它的结构是什么样的? 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。2013年3月，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”的固态材料密度仅为0.16mg/cm³，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”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。浙江大学高分子科学与工程学系高超教授的课题组将含有石墨烯和碳纳米管两种纳米材料的水溶液在低温环境下冻干，去除水分、保留骨架，成功刷新了“最轻材料”的纪录。此前的“世界纪录保持者”是由德国科学家在2012年底制造的一种名为“石墨气凝胶”的材料，密度为每立方厘米0.18毫克。这一研究成果已于2013年2月18日在线发表在《先进材料》期刊上，并被《自然》杂志在“研究要闻”栏目中重点配图评论 “‘全碳气凝胶’的构造类似于‘碳海绵’，哪怕将一个马克杯大小的气凝胶放在狗尾草上，纤细的草须也不会被压弯。”高超说。 虽然看上去“脆弱不堪”，但“全碳气凝胶”在结构韧性方面却十分出色，它可以在数千次被压缩至原体积的20%之后迅速复原。此外，“全碳气凝胶”还是吸油能力最强的材料之一。现有的吸油产品一般只能吸收自身质量10倍左右的有机溶剂，而“全碳气凝胶”的吸收量可高达自身质量的900倍

　　全碳气凝胶的主要分子是什么，它的结构是什么样的?

　　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。楼主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，下图为生成凝胶示意图。

　　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。

　　成分依旧主要是碳，下图是碳气凝胶的结构图;

　　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。

　　模板导向法制备石墨烯气凝胶流程图：

　　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。