碳气凝胶的结构重整及其电化学行为
全碳气凝胶实际生活中的应用
全碳气凝胶实际生活中的应用
全碳气凝胶是一种具有广泛应用前景的新材料，它在实际生活中可以发挥重要作用。
全碳气凝胶在环境治理方面有着独特的优势。
由于其具有大孔径、高比表面积和良好的化学稳定性等特点，全碳气凝胶可以作为高效吸附剂用于水和空气处理。
在水处理中，全碳气凝胶可以有效去除重金属离子和有机物质，净化水源，提高水质。
在空气处理中，全碳气凝胶可以吸附有害气体和颗粒物，净化室内空气，改善人们的生活环境。
全碳气凝胶在能源领域有着广泛的应用前景。
全碳气凝胶具有优异的导电性和储能性能，可以应用于电化学储能设备。
例如，全碳气凝胶可以作为超级电容器的电极材料，具有高能量密度和长循环寿命。
此外，全碳气凝胶还可以用于太阳能电池和燃料电池等能源转换器件，提高能源转换效率，促进可再生能源的利用。
全碳气凝胶还可以应用于生物医学领域。
全碳气凝胶具有良好的生物相容性和可调控的孔径结构，可以作为药物载体用于控释药物。
全碳气凝胶还可以用于组织工程和生物传感器等方面，具有广泛的应用前景。
例如，全碳气凝胶可以用于修复骨组织和软骨组织，促进创伤愈合；全碳气凝胶还可以用于制备生物传感器，检测生物分子的浓度和活性。
全碳气凝胶在环境治理、能源领域和生物医学领域都有着广泛的应用前景。
它的独特性能和优势使其成为一种重要的新材料，为人们的生活带来了诸多便利和创新。
随着技术的不断进步和应用的不断扩大，相信全碳气凝胶将在更多领域发挥重要作用，为人类创造更美好的生活。
碳气凝胶的制备及结构
碳气凝胶的制备及结构郭志军;朱红;张新卫【摘要】以甲醛和间苯二酚溶胶凝胶制备有机气凝胶(OA),将有机气凝胶在半密封的情况下干燥,再在高温下碳化,制备得到碳气凝胶(CA),并分析了有机气凝胶的形成机理.通过红外(IR)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)等考察了有机气凝胶到碳气凝胶的结构变化,从具有丰富的官能团结构的有机物,最后碳化得到具有纳米尺度、无序的、连续三维网络结构的碳材料.【期刊名称】《北京交通大学学报》【年(卷),期】2010(034)006【总页数】4页(P103-106)【关键词】溶胶-凝胶;有机气凝胶;碳气凝胶;碳化【作者】郭志军;朱红;张新卫【作者单位】北京交通大学理学院,北京,100044;北京化工大学理学院,北京,100029;北京交通大学理学院,北京,100044【正文语种】中文【中图分类】TQ127.1碳气凝胶是一种由纳米球状粒子构成,一般是由酚类和醛类在碱性条件下聚合成有机气凝胶,再经过溶剂置换、干燥、碳化而得到的碳素材料.1989年,美国罗伦斯国家实验室R.W.Pekala等[1]首次以间苯二酚与甲醛为前躯体,通过溶胶凝胶法制得有三维结构的纳米气凝胶.碳气凝胶具有孔隙率高、比表面积大、密度变化广且有很好的电化学性能等优越的性质[2-4]而广泛应用于超级电容器、燃料电池、吸附分离、催化剂载体等[5-6]领域,成为一种应用前景广阔的新型碳素材料.碳气凝胶的研究涉及到多个学科的研究,这也为碳气凝胶的研究、开发和应用提供了诸多机遇. 然而通过溶胶-凝胶法制备的湿有机气凝胶,在干燥时由于溶剂表面张力的存在,使得结构塌陷,这大大影响碳气凝胶的性质.一般通过超临界干燥来解决这个问题,但这样却增加了实验室成本和风险,限制了碳气凝胶的研究应用.本文作者利用溶胶-凝胶法,以甲醛和间苯二酚为原料,以无水碳酸钠为催化剂,经陈化、酸化、溶剂置换、半密封式干燥,最后高温碳化得到碳气凝胶,并利用红外(IR)、透射电镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD)对其进行了结构表征.1 实验部分1.1 有机气凝胶的制备将甲醛和间苯二酚以1∶2比例混合,以无水碳酸钠为催化剂,再加入三次去离子水,在惰性气体保护下搅拌混合均匀,放入密封容器.在85℃环境中存放7 d(陈化),得到有机气凝胶.1.2 酸化和溶剂置换将陈化后得到的有机气凝胶在3%的乙酸溶液中浸泡1 d(酸化),以丙酮为溶剂进行溶剂置换(将酸化后的有机气凝胶浸泡在丙酮中,浸泡3 d,每天换1次丙酮).1.3 半密封式干燥和高温碳化将溶剂置换后得到有机气凝胶进行半密封式干燥,直至有机气凝胶恒重.将得到干燥的有机气凝胶研磨成粉末,在惰性气体保护下管式炉中碳化.用2 h升温到250℃维持2 h,用1 h升温到400℃,用2 h升温到1 050℃保持4 h,然后自然冷却降温,得到黑色的碳气凝胶粉末.图1为制备碳气凝胶的流程图.图1 碳气凝胶制备示意图Fig.1 Flow chart of p reparing carbon aerogels1.4 表征与测试用红外(IR Prestige-2 1 FTIR-8400S High Temperature/Vacuum Chainber,P/N 700-0042型,日本岛津公司,采用KBr压片)对气凝胶的组成结构测试;用透射电镜(H-800型,日本日立公司)观测气凝胶的微结构和变化;用X射线衍射仪(D/MAX 2400型,日本理学公司)观测气凝胶的晶体结构.图3 有机气凝胶的形成示意图Fig.3 Schematic p rocess of form ing organic aerogels2 结果与讨论2.1 IR测试图2是干燥后的有机气凝胶的红外谱图.从有机气凝胶的红外谱图上可以看出,在2 928、2 856、1 474 cm-1处有明显的CH2伸缩、弯曲振动峰;在1 616 cm-1处有苯环的伸缩振动峰;在1 221 cm-1和1 094 cm-1处有明显的C-O-C伸缩振动峰,这是甲醛和间苯二酚缩合而成的峰;在3 400 cm-1处有着-OH的伸缩振动特征峰.图2 有机气凝胶(OA)的红外谱图Fig.2 IR spectrum of organic aerogels(OA) 这些有机特征峰的出现主要是因为有机气凝胶的形成分为两步:第1步是通过甲醛和间苯二酚在碱性条件下加成生成多元羟甲基间苯二酚中间体;第2步是中间体之间缩聚反应生成以亚甲基键(-CH2-)或亚甲基醚键(-CH2OCH 2-)连接的基元胶体颗粒,基元胶体颗粒再进一步生长形成团簇,团簇进一步缩合成网络状的聚合物,见图3.干燥后的有机气凝胶仍保持有机官能团结构,因此有机气凝胶的红外谱图显示出如图2所示的结果.从高温碳化有机气凝胶而得到的碳气凝胶的红外谱图来看,没有了明显的有机官能团的特征峰.图 4为碳气凝胶的红外谱图.碳气凝胶在1 570 cm-1处和1 250 cm-1处有两个比较微弱的吸收峰,这两个峰应为碳气凝胶骨架中碳的吸收峰,这两个峰对应着骨架中不同晶型的碳.这表明经过高温碳化碳气凝胶内部出现了微晶化结构.从碳气凝胶的红外谱图来看和一般碳的红外谱图差别不大.图4 碳气凝胶(CA)的红外谱图Fig.4 IR spectrum of carbon aerogels(CA)高温碳化过程中,有机气凝胶的骨架遭到破坏,生成大量的小分子CO、CO2、H2、CH4等气体的形式逸出,气凝胶的C含量增加,随着温度的升高和最终温度碳化时间的延长,气凝胶最终全部碳化甚至出现部分的石墨化.2.2 TEM测试图5是有机气凝胶和碳气凝胶的TEM图.图5 有机气凝胶和碳气凝胶的TEM图Fig.5 TEMimages oforganic aerogels and carbon aerogels从图中可以看出不管是有机气凝胶还是碳气凝胶都是由大量的纳米三维网络的结构构成.从图5 (a)可以看出有机气凝胶团簇大小不一,孔洞大小不一,是较为典型的无序多孔结构,粒径大约在30 nm左右.从图5(b)看出碳气凝胶与有机气凝胶相比更加紧密.直径约40 nm左右的球状颗粒构成网络,网络间的孔洞丰富,且孔洞间具有很好的连通性.有机气凝胶通过煅烧,不可避免的导致纳米网络塌陷收缩使气凝胶变的基干变粗,但始终保持这纳米无序多孔的网络结构.2.3 XRD测试图6是碳气凝胶的小角X射线衍射图.从图中可以看出只有一个衍射峰,说明碳气凝胶的有序程度非常低,即为一个无序的结构这与透射电镜得到的结果相吻合.图6 碳气凝胶的小角XRD图Fig.6 XRD pattern of carbon aerogels图7 碳气凝胶的XRD图Fig.7 XRD pattern of carbon aerogels图7为碳气凝胶的广角X射线衍射图谱.从图中可以清晰地看出在2θ为24.5°左右和43°左右有两个宽化的衍射峰,这说明碳气凝胶是一种非晶态结构.碳气凝胶骨架内碳原子主要以sp3杂化为主,价键的四面体指性形成无规则的刚性结构.而除了这两个较缓和的宽峰外,尚有少量代表晶体的衍射峰,但其强度均极小.说明经高温碳化的碳气凝胶中仍有少量石墨化的微晶结构.这与红外得到的结果碳气凝胶内部出现微晶变化相吻合.3 结论采用间苯二酚、甲醛为初始原料,无水碳酸钠为催化剂,通过溶胶凝胶法制备了有机气凝胶.经陈化、酸化、溶剂置换、半密封式干燥及高温碳化制备得到了碳气凝胶.用IR、XRD、TEM对样品进行了结构和性能表征.根据红外检测结果推断了有机气凝胶的形成过程;XRD、TEM表征结果表明半密封式常压干燥制备的碳气凝胶微观结构是由直径为40 nm左右的粒子组成,粒子间相互融合,形成互相贯通无序的三维网络,粒子与粒子之间形成连通性极好的纳米孔洞,孔洞以中孔为主.碳气凝胶晶态为无定形结构,由于高温处理内部有微晶化结构.参考文献:[1]Pekala RW.Low Density Resorcinol-Formaldehyde Aerogels:USA Patent,4873218[P].1989.[2]Maldonado-hodar F j,Ferro-GarciaMA,Rivera-U trilla J, et al.Synthesis and Textural Characteristics of Organic Aerogels,Transition-Metal-Containing Organic Aerogels and Their CarbonizedDerivatives[J].Carbon,1999,37: 1199-1205.[3]Liang C,Sha G,Guo S.Resorcinol-Formaldehyde Aerogels Prepared by Supercritical A cetone Drying[J].Journal of Non-CrystallineSolids,2000,271:167-170.[4]Wu D,Fu R,Zhang S,et al.Preparation of Low-Density Carbon Aerogels by Ambient Pressure D rying[J].Carbon, 2004,42:2033-2093.[5]Saliger R,Fischer U,Herta C,et al.H igh Surface Area Carbon Aerogels forSupercapacitors[J].Journal of Non-Crystalline So lids,1998,225:81-85. [6]Moreno-Castilla C,Maldonado-hodar F J.Carbon Aerogels for Catalysis Application:An Overview[J].Carbon,2005, 43:455-465.。
纳米纤维素基多层级孔道结构碳气凝胶的制备及在锂电池中的应用
纳米纤维素基多层级孔道结构碳气凝胶的制备及在锂电池中的应用孔雪琳;卢芸;叶贵超;李道浩;孙瑾;杨东江;殷亚方【摘要】采用纳米精磨法对商品桉木浆进行纳米纤丝化处理,得到了高长径比、尺寸均一的纳米纤丝化纤维素(NFC),平均直径为230.10 nm,长度达数十微米.将其组装、干燥后制得具有大量介孔的纳米纤丝化纤维素气凝胶(NFCA).将NFCA在氮气氛围下高温碳化制得碳气凝胶(CNFA),或在氢氧化钾条件下辅助碳化制得具有多层级孔道结构的碳气凝胶(CNFA-A),在保留的碳气凝胶骨架结构上进行孔洞构建.通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)表征及Nanomeasure?统计分析,发现NFC的平均直径经碳化后减小到53.16 nm.利用X射线衍射(XRD)、BET 比表面积测试和拉曼光谱揭示了碳化处理对纳米纤维素结构、比表面积、石墨化程度和缺陷的影响.结果表明,KOH辅助碳化处理后的碳气凝胶不仅保留了纤维素气凝胶前驱体的网络结构,还在其骨架上二次构建了更多的微孔和介孔,其比表面积高达488.92 m2/g,总孔容为0.404 cm3/g,所得的碳骨架被部分石墨化,具有良好的导电性.这类源于生物质的高比表面积碳气凝胶在被用作锂离子电池(LIB)负极材料时表现出优异的电化学性能,在电流密度1 A/g下连续充放电1000次后比容量达到409 mA·h/g,在电流密度高达20 A/g下,比容量还能维持在219 mA·h/g.%The nanofibrillated cellulose ( NFC ) with large aspect ratio and uniform size ( mean diameter is 230. 10 nm) was fabricated from commercial eucalyptus pulps by scale-up nano-grinding. Then the NFC was assembled to NFC aerogels(NFCA) with three-dimensional(3D) frameworks. After carbonization of NFCA under N2 atmosphere, the carbon nanofiber aerogels( CNFA) were generated with the inherited 3D network structure.With futher KOH-assisted annealing of CNFA, the hierarchical porous carbon aerogels( denoted as CNFA-A) were finally obtained. CNFA-A combined the inherited original 3D network from NFCA and the secondary constructed micropore-mesopore structure. The mean diameter of CNFA-A was diminished to 53. 16 nm. The structures of three kinds of cellulose-based aerogels were characterized by scanning electron microsco-py(SEM) and transmission electron microscopy ( TEM), and the statistic diameter of nanofibril building-blocks was obtained by Nanomeasure ?. The graphitization degree of cellulose-based aerogels was investigated by X-ray diffraction( XRD) and Raman spectroscopy, and the specific surface area was measured through BET specific surface area test. The specific surface area of CNFA-A is as high as 488. 92 m2/g and the total pore volume can reach up to 0. 404 cm3/g. In addition, as anode material for lithium ion battery, the CNFA-A exhibits a high reversible capacity ( 448 mA · h/g at 1 A/g ) , an excellent rate capability ( 219 mA · h/g at 20 A/g) and an outstanding cycling performance(409 mA·h/g at 1 A/g after 1000 cycles).【期刊名称】《高等学校化学学报》【年(卷),期】2017(038)011【总页数】6页(P1941-1946)【关键词】纳米纤丝化纤维素;气凝胶;碳化;多层级结构;锂离子电池【作者】孔雪琳;卢芸;叶贵超;李道浩;孙瑾;杨东江;殷亚方【作者单位】青岛大学材料科学与工程学院,青岛266071;中国林业科学研究院木材工业研究所,北京100091;中国林业科学研究院木材工业研究所,北京100091;青岛大学材料科学与工程学院,青岛266071;青岛大学材料科学与工程学院,青岛266071;青岛大学环境科学与工程学院,青岛266071;青岛大学环境科学与工程学院,青岛266071;中国林业科学研究院木材工业研究所,北京100091【正文语种】中文【中图分类】O613.71;O636.1纤维素是一种由β-(1→4)糖苷键连接脱水-D-葡萄糖单元构成的高分子, 广泛存在于植物中, 是植物细胞壁最主要的成分之一, 是地球上最丰富的天然高聚物. 如今, 人们已经从细胞壁中成功制备了环境友好的纳米纤丝化纤维素(NFC)[1,2]. 通过精细盘磨、高频超声[3,4]、高压均质等简单的机械处理, 可以用较低的成本制备出尺寸均一的NFC. 通过一定的组装手段, 可将NFC构建成具有三维网络结构的纳米纤丝化纤维素气凝胶(NFCA). 这类仅含C, H, O的绿色新型气凝胶是新型碳材料的理想前驱体[5], 可以通过热解直接成为碳气凝胶. 最重要的是, 高温碳化后的碳气凝胶不仅保持了NFCA的三维网状结构, 还具有良好的机械性、疏水性和导电性等新功能, 可将NFCA原本局限在亲水或极性介质中的应用拓展到新能源储存与转化等领域[6].碳气凝胶是最具有前景的高性能材料之一, 是一种密度可调的轻质多孔碳材料, 具有多孔道网状结构, 其孔隙率可以高达80%～99%, 具有网络连续、电导率高、比表面积大及密度变化范围大等特点. 传统的碳气凝胶通常是由有机气凝胶(如间苯二酚-甲醛气凝胶、间苯二酚-甲醛(RF)气凝胶、三聚氰胺-甲醛气凝胶)经高温碳化后制得[7～10]. 这类有机气凝胶存在易碎、密度相对较高、孔隙率低、原料或生产过程毒性较高等缺陷. 相比之下, NFC作为碳气凝胶前驱体具有来源广泛、产量巨大、制备绿色、可再生、机械性能优异、可生物降解、生物相容性好[11,12]和改性位点多等显著优点, 是一种极具开发潜力的碳气凝胶前驱体[13], 有利于推动探索环境友好、成本低廉的碳气凝胶的大规模生产.碳材料在能源储存与转化等领域具有广泛应用, 但传统的碳材料理论容量和能量密度低、活性位点少, 限制了其在锂电池、超级电容器以及电催化方面的应用. 在追求提高碳材料的电化学性能而不降低其稳定性和功率密度的解决方案中, 具有特殊纳米结构的新型碳材料是人们探索的主要热点[14]. 目前, 对碳基纳米材料的研究还大多集中在化学还原和分离的石墨烯、碳纳米管(CNF)和炭黑等导电性好、比表面积高的碳材料上. 碳纳米管、碳纳米纤维、空心碳纳米球, 石墨烯等不同纳米结构的碳材料已被证明可增强锂离子电池(LIB)的性能[15～18]. 然而, 制备技术复杂、前驱体成本高、石油基原料不可再生等因素严重限制了纳米碳的工业化生产. 本研究中, 我们将由纳米精磨桉木浆制备的一维NFC可控组装成具有贯通孔道结构和三维网络结构的气凝胶, 在高温碳化后保留了其三维网络骨架结构, 并进行了二次孔道构建. 这种方法得到的碳气凝胶具有可控的多层级孔道结构和比表面积高、孔隙率高、机械性能优异、导电性良好等特点, 其连贯的三维网络结构上还具有大量的微孔, 是典型的微孔-介孔-大孔气凝胶. 这样的多孔道结构有助于缩短Li离子的插入-脱嵌过程的扩散路径, 为Li离子的传输提供更多的路径[19]. 较高的比表面积可以加快电子传导且能够束缚更多的Li离子, 有极高的稳定性; 同时其连贯的网络结构保证了电子/离子的定向传输途径和应力变化的强耐性, 作为阳极材料具有优异的物理性能和电化学性能. 由该碳气凝胶组装的LIB显示出优异的循环性能和良好的倍率性能, 为低成本锂电池的研究提供了新的思路.1.1 试剂与仪器桉木浆(Eucalyptus pulps)由中国林业科学研究院林产化学研究所提供; 氢氧化钾、N-甲基吡咯烷酮和六氟磷酸锂(分析纯)购自国药集团化学试剂品有限公司; 乙炔黑(分析纯)购自长沙电池厂; 聚偏氟乙烯(PVDF, 分析纯)购自武汉荟谱化学新材料有限公司; 透析袋(直径76 mm)购自美国Sigma-Aldrich公司; 氮气(纯度99.999%)购自北京市亚南气体科技有限公司; 实验用水均为去离子水.NoVaTMNano SEM 250型场发射扫描电子显微镜和FEI Tecnai G20型透射电子显微镜(美国FEI公司); Magna-IR 750型傅里叶变换红外光谱仪(美国Nicolet 公司); HR800型拉曼光谱仪(法国Horiba Jobin Yvon Lab RAM公司); NOVA 1200e比表面积分析仪(美国康塔仪器公司); CT2001A型电池测试系统(武汉蓝电电子有限公司); MKSS1-1012-B079型超级净化手套箱(德国米开罗那有限公司).1.2 实验过程1.2.1 机械法制备NFC 先将桉木浆分散在去离子水中, 形成固含量为2.5%(质量分数)的分散液. 采用盘磨机进行初步纳米纤丝化, 盘磨机的转速设定为2000 r/min, 磨盘间距设定为-20 μm. 分散液经盘磨后重新倒入物料槽, 如此往复3次在磨盘间进行纳米纤丝化, 将盘磨后的湿态纤维素分散在去离子水中, 得到浓度为1.0%(质量分数)的水分散液.1.2.2 纳米纤丝化纤维素气凝胶及碳气凝胶的制备将制得的纤维素上清液装入透析袋中, 然后放入叔丁醇中置换24 h, 并用磁力搅拌器进行机械搅拌, 剩余悬浮液体积约为原体积的1/3, 收集剩余的悬浮液装入瓶中后在超低温冰箱(-80 ℃)中冷冻, 然后转入冷冻干燥仪中干燥72 h(-55 ℃, 10 Pa)得到干燥的NFCA. 将NFCA放入管式炉中, 在空气中由室温加热至250 ℃(升温速率为2 ℃/min), 保温2 h后在氮气氛围下继续升温至800 ℃(升温速率为5 ℃/min), 保温1 h, 即得到相应的碳纳米纤丝化纤维素气凝胶(CNFA). 此外, 将CNFA在管式炉中用氢氧化钾进行辅助碳化, 控制氮气的流速为80 mL/min, 得到孔道结构二次构建的气凝胶CNFA-A.1.2.3 电化学测试将样品、乙炔黑和聚偏氟乙烯按照质量比为8∶1∶1的比例溶解在N-甲基-2-吡咯烷酮中, 研磨形成膏状. 然后将悬浮液均匀地涂抹在Cu箔基底上, 放入真空烘箱中, 在120 ℃下干燥10 h制成电极片. 电解液为1 mol/L六氟磷酸锂(LiPF6)的碳酸亚乙酯(EC)/碳酸二甲酯(DMC)/碳酸二乙酯(DEC)(质量比为1∶1∶1)溶液. 在手套箱中组装成CR2016型纽扣电池. 在LAND CT2001A电池测试系统上进行充放电性能测试, 限制电压为0.01～3.0 V.2.1 纳米纤丝化纤维素的结构表征通过XRD和FTIR对按木浆原料和NFC进行晶体结构与化学结构的表征. 由图1(A)可见, 桉木浆和NFC均呈现典型的天然纤维素Iβ型结构, 在14.3°, 16.8°和22.5°出现了和(002)晶面的衍射峰. 可见纳米纤丝化处理并没有改变纤维素的晶型. 图1(B)中桉木浆和NFC的FTIR图均在3300～3450 cm-1附近和2910 cm-1附近出现强吸收峰, 归属于分子链上羟基O—H和C—O的伸缩振动; 1636 cm-1处的明显吸收峰来自于CO伸缩振动. 此外, 桉木浆和NFC在1430和1030 cm-1处均出现较明显的纤维素Iβ特征峰[20], 说明纳米精磨机械处理不会改变纤维素的化学结构.2.2 碳化处理与孔结构二次构建对气凝胶骨架结构的影响图2分别为NFCA、 CNFA及CNFA-A的SEM照片和相应的直径分布统计图(对200个纤维直径进行数值测量统计). 由图2(A)和(D)可见, NFCA的形貌均匀细长, 表面光滑, 平均直径为230.10 nm. 碳化后的CNFA直径大幅度减小, 平均直径为90.92 nm[图2(B), (E)]. 这是因为高温碳化过程中发生了脱氢脱氧, 其结构发生了重组[21]. 碳化孔道构建后的CNFA-A的纳米纤丝相互交错成网状结构, 较二次构建前的直径进一步减小[图2(C)及其插图], 统计分析显示其平均直径仅为53.16 nm[图2(F)].2.3 纤维素气凝胶的孔径分布与结构表征为进一步观察处理过程中气凝胶孔结构的变化, 采用N2吸附-脱附来分析材料孔道分布的微观结构. 如图3所示, 根据IUPAC气体吸附等温线的分类标准, NFCA,CNFA和CNFA-A的N2吸附-脱附等温线均属于IV型吸附曲线. 其中, 由NFC组装而成的NFCA的比表面积为111.69 m2/g, 总孔容为0.283 cm3/g. 由于纤维网络在热解过程中形成了大量孔隙, 高温热解后的碳纤维气凝胶的比表面积发生了显著提升, 但由于高温热解导致NFCA中部分介孔孔洞坍塌, 碳化后比表面积为423.77 m2/g, 总孔容为0.317 cm3/g. KOH辅助的高温二次构建后的CNFA-A 比表面积高达488.92 m2/g, 总孔容为0.404 cm3/g. 这是因为KOH高温下通过氧化还原反应腐蚀碳气凝胶网络结构, 在K渗入石墨层的过程中生成大量孔结构[22]. 通过非定域密度函数理论(NLDFT)分析[23], 孔结构二次构建后的CNFA-A增加了少量的微孔及部分介孔.通过Raman测试表征了CNFA及CNFA-A的石墨化程度. 图4(A)中出现了2个明显的峰, 一个是由C—C键的振动形成的D带(1335～1350cm-1), 对应样品的无序部分或有缺陷的石墨结构; 另一个峰是碳原子的sp2电子排布形成的G带(1585～1590 cm-1), 为样品石墨相的特征峰. ID/IG强度比可用于表征样品的石墨化程度[24,25]. CNFA-A的ID/IG值CNFA更高, 且G峰和D峰的半峰宽增加, 揭示了CNFA-A的石墨化程度更低, 无序缺陷结构更多. XRD谱[图4(B)]在2θ=25°处较宽的衍射峰也表明碳化后生成了无定形碳.2.4 纤维素碳气凝胶的锂电性能为了研究样品作为锂离子电池负极材料的电化学性能, 对CNFA-A进行了恒电流充放电测试. 图5(A)是CNFA-A的1～3次充放电循环的恒电流充放电曲线, 电流密度为1 A/g, 电压范围0.01～3.0 V(vs. Li+/Li). 第1次恒电流放电曲线在1.2 V处有1个放电平台, 首次的充、放电比容量分别为994和448 mA·h/g, 库仑效率为45%, 第1次充放电过程中产生不可逆容量的原因是材料表面的电解液与多孔碳气凝胶电极材料反应生成了固体电解质界面膜(SEI). SEI的形成消耗了部分锂离子, 使得首次充放电的不可逆容量增加, 降低了负极材料的库仑效率[26]. 随后的第2次和第3次的充放电循环过程中, 材料的充电比容量分别为437和423 mA·h/g, 变化不大, 说明材料性能稳定.锂离子电池负极材料的使用寿命是很重要的电化学性能指标. 图5(B)示出了材料的比容量和循环稳定性能, 测试在0.01～3.0 V的电位窗口、 1 A/g的电流密度下进行. 结果表明, 循环1000周后, CNFA的比容量为279 mA·h/g, CNFA-A的比容量达到409 mA·h/g, 且二者均具有良好的稳定性, 容量保持率均在80%以上. 由图5(C)可见, CNFA和CNFA-A均具有非常好的倍率性能. 同一电流密度下, 材料的比容量保持稳定; 随着电流密度的增加, 材料的比容量逐渐变小. CNFA-A在2, 5和10 A/g 3个不同电流密度下的比容量分别为416, 323和260 mA·h/g. CNFA在1 A/g电流密度下的比容量为310 mA·h/g, 经过倍率性能循环后, 电池的容量几乎未发生变化. 而CNFA-A在经过倍率循环后, 比容量同样未发生变化, 但倍率性能稍有衰减. 在电流密度为20 A/g时, CNFA-A电池的平均容量约为219 mA·h/g, 说明这种碳材料具备大电流快速充放电的潜力, 这得益于材料较大的比表面积及本身多层级的孔洞结构有利于增加与电解液的接触面积. 而微孔结构较多的热解碳材料会形成更加稳定的SEI膜[27], 从而避免了溶剂分子对电极材料的破坏, 因而此气凝胶作为电极材料具有优异的循环稳定性能.通过采用纳米精磨法对按木浆进行纤丝化处理, 制备出直径均一、高长径比的NFC(平均直径为230.10 nm). 将NFC组装成具有3D网络结构的气凝胶后进行高温碳化处理, 并在保留的碳气凝胶骨架结构上进行了孔道二次构建, 得到具有多层级孔道结构的高比表面积碳气凝胶. 其内部网络纤维的平均直径为53.16 nm, 比表面积高达488.92 m2/g. 该新型碳材料在被用作锂离子电池负极材料时表面出较高的容量、良好的循环稳定性及理想的倍率性能. 在电流密度为1 A/g下连续充放电1000次后比容量达到409 mA·h/g, 在电流密度高达20 A/g下比容量还能维持在219 mA·h/g.† Supported by the National Natural Science Foundation of China(No. 31500468) and the Fundamental Research Funds for the Central Non-profit Research Institution of CAF(No. CAFYBB2016QB012).【相关文献】[1] Arioli T., Peng L., Betzner A. S., Sci., 1998, 279(5351), 717—720[2] Zhu H., Luo W., Ciesielski P. N., Fang Z., Zhu J. Y., Henriksson G., Himmel M. E., Chem. Rev., 2016, 116(16), 9305—9374[3] Zhao H. P., Feng X. Q., Gao H., Appl. 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碳气凝胶新材料
碳气凝胶新材料
碳气凝胶，作为一种新型材料，近年来备受瞩目。
它具有轻质、高强度、良好的热稳定性和化学稳定性等优点，被广泛应用于能源存储、吸附材料、催化剂载体等领域。
碳气凝胶的制备过程首先需要选择合适的前驱体，常用的有有机聚合物和无机盐。
然后，通过溶胶-凝胶法或熔融胶凝法将前驱体转化为凝胶。
最后，通过高温炭化或气化处理，除去凝胶中的有机成分，得到碳气凝胶。
碳气凝胶的微孔结构决定了它的吸附性能。
由于其高比表面积和丰富的孔隙结构，碳气凝胶能够吸附大量气体和液体分子。
这使得碳气凝胶在环境治理和能源存储方面具有潜在的应用价值。
例如，碳气凝胶可以作为催化剂载体，在化学反应中发挥重要作用。
它还可以用于吸附有毒气体和重金属离子，净化环境。
此外，碳气凝胶还可用于超级电容器和锂离子电池等能源存储领域，以提高能量密度和循环寿命。
除了上述应用，碳气凝胶还具有其他潜在的应用价值。
例如，在生物医药领域，碳气凝胶可以作为药物载体，用于控释药物，提高药物的效果。
在催化剂领域，碳气凝胶可以通过调控其孔结构和表面性质，提高催化剂的选择性和活性。
在能源领域，碳气凝胶可以用于太阳能电池和燃料电池，提高能源转化效率。
碳气凝胶作为一种新型材料，具有广泛的应用前景。
它的独特性能使其在环境治理、能源存储、催化剂等领域发挥重要作用。
随着科学技术的不断进步，碳气凝胶的制备工艺和应用方法也将不断完善，为人类带来更多的福祉。
二氧化碳活化法制备高比表面积碳气凝胶
二氧化碳活化法制备高比表面积碳气凝胶1. 研究背景碳气凝胶是一种具有极高比表面积和孔隙结构的新型材料，具有广泛的应用前景，如催化剂、电容器、吸附剂等。
传统制备碳气凝胶的方法通常涉及昂贵的前驱体和复杂的工艺步骤。
而二氧化碳活化法是一种较为简单且经济高效的制备碳气凝胶的方法。
2. 制备原理二氧化碳活化法通过在适当条件下将富含碳源的原料与二氧化碳进行反应，实现对原料中部分或全部含碳物质的活化转化。
这种方法利用了二氧化碳具有较强活性和可调控性的特点，能够促进原料中的无定形碳转变为高比表面积、多孔结构的碳材料。
3. 实验步骤步骤一：原料准备选择合适的富含碳源的原料作为实验材料，如植物纤维、废弃物等。
将原料进行干燥和粉碎处理，以提高反应效果。
步骤二：反应装置搭建搭建二氧化碳活化反应装置，包括加热系统、冷却系统、压力调节系统等。
确保反应过程中的温度、压力和流量等参数的可控性和稳定性。
步骤三：活化反应将准备好的原料放入反应装置中，并通过适当的加热和压力调节控制条件，使二氧化碳与原料发生活化反应。
根据实验需要，可以调节反应时间和温度等参数。
步骤四：材料处理将经过活化反应后得到的样品进行处理，如洗涤、干燥等。
这一步旨在去除残留物质，并使样品达到理想的形态和性能。
步骤五：表征分析使用适当的表征手段对制备得到的高比表面积碳气凝胶样品进行分析，如扫描电子显微镜(SEM)、比表面积测定(BET)、X射线衍射(XRD)等。
通过这些手段可以了解样品的形貌特征、孔隙结构和晶体结构等。
步骤六：性能测试对制备得到的高比表面积碳气凝胶样品进行性能测试，如吸附性能、电化学性能等。
这些测试可以评价样品在吸附、催化等方面的应用潜力。
4. 实验条件实验条件是制备高比表面积碳气凝胶的关键因素之一。
在实验中，需要控制以下几个条件：•温度：根据原料特性和反应需求，确定适当的反应温度范围。
•压力：调节二氧化碳供应压力以实现活化反应。
•反应时间：根据实验需要和原料特性，确定适当的反应时间。
碳气凝胶的常压干燥制备及结构控制
2004 年10月 The Chinese Journal of Process Engineering Oct. 2004碳气凝胶的常压干燥制备及结构控制 秦仁喜，沈 军，吴广明，周 斌，王 琴，倪星元，郭艳芝 (同济大学波耳固体物理研究所，上海 200092)摘要：研究了碳气凝胶在常压条件下的制备过程和干燥方法. 用扫描电镜、比表面测量仪及孔径分布仪对其结构进行了表征与测试. 通过改变催化剂和溶剂的用量，可以实现碳气凝胶的颗粒直径及孔洞由纳米到微米级的连续调节. 通过降低催化剂浓度并以丙酮进行溶剂替换，成功实现了碳气凝胶的常压干燥. 常压干燥样品具有250~650 kg/m3的低密度和250~550 m2/g的高比表面积. 分析了其溶胶−凝胶反应机理，围绕毛细压力和材料强度等方面探讨了其常压干燥的实现途径.关键词：碳气凝胶；常压干燥；毛细压力中图分类号：TQ127.1 文献标识码：A 文章编号：1009−606X(2004)05−0429−05１ 前 言 碳气凝胶是一种多孔网络状的非晶碳材料，一般通过高温碳化有机气凝胶而得到. 以间苯二酚(Resorcinol)与甲醛(Formaldehyde)经溶胶−凝胶反应生成的有机气凝胶(简称RF气凝胶)具有孔洞率高、比表面积大和密度变化广等优点，是迄今为止常温常压下热导率最低的固态材料[约0.012 W/(m⋅K)][1]. RF气凝胶碳化后生成的碳气凝胶(即CRF碳气凝胶)不仅继承了RF气凝胶的大部分优点，而且具备优良的电化学性能，在超级双电层电容器、可充电电池、燃料电池、分子筛、海水淡化及催化剂载体等方面极具应用潜力[2−7]，因而成为一种应用前景相当广阔的新型碳素电极材料.经溶胶−凝胶反应生成的RF有机湿凝胶一般要通过超临界干燥工艺[6]处理，增加了实验的成本和风险，严重制约了碳气凝胶的实际应用. 目前为了获得常压干燥的碳气凝胶，主要采用掺入纤维来提高材料强度的方式制备碳气凝胶[2−5]，往往只能得到薄膜样品. 本工作研究了碳气凝胶块体材料的常压干燥制备过程，讨论了其实现常压干燥的途径.２ 实 验 ２．１ 凝胶的制备 将间苯二酚与甲醛以1:2的摩尔比混合，以碳酸钠为催化剂，再加入去离子水作溶剂，搅拌均匀，密封后置入烘箱中，分别以25, 50和90o C处理1, 1和3 d，最后生成RF湿凝胶. 间苯二酚与催化剂的摩尔比简称R/C比，实验中分别取500, 1000和1500等数值；间苯二酚和甲醛占总溶液的质量分数简称M值，实验中分别取20%, 30%和40%等数值. ２．２ 溶剂替换 用丙酮进行溶剂替换，浸泡样品3次，彻底替换样品中的水和其它杂质，然后在室温常压条件下干燥，待丙酮自然挥发干净后，即可得到干燥的RF气凝胶.收稿日期：2003−09−24，修回日期：2003−12−25基金项目：上海市自然科学基金资助项目(编号: 02ZE14101)；上海市纳米科技与产业发展促进中心资助项目(编号: 0216nm035)；上海市重点学科建设资助项目；德国大众汽车基金资助项目作者简介：秦仁喜(1979−)，男，湖北省洪湖市人，硕士研究生，从事纳米多孔材料的研究.２．３ 高温碳化 将RF气凝胶置于氮保护的高温碳化炉中，以50 mL/min的气流速度通入氮气，炉子从室温缓慢升至250o C保持2 h，然后升至1050o C保持4 h，最终即可得到黑色的碳气凝胶. ２．４ 样品测试 颗粒形貌采用Philips XL−30 ESEM环境扫描电镜观测，放大倍数为20000倍；BET比表面积测量采用Micromeritics FlowSorb II 2300自动吸附仪，脱气温度200o C，载气为30.2% N2和69.8% He；孔径分布测试采用Micromeritics ASAP2010型物理吸附仪.３ 实验结果 ３．１ Ｒ／Ｃ比对碳气凝胶结构的控制作用 在反应过程中，催化剂的浓度即R/C比是一个非常关键的参量. 当R/C≤500时，反应最终会生成暗红色透明的凝胶；R/C=1000时，凝胶呈棕黄色；R/C=1500时，凝胶呈黄色；R/C=2000时，凝胶呈桔红色. 随着R/C比增大，凝胶的颗粒度也逐渐变大，相应碳化后得到的碳气凝胶颗粒度也随之增大. 图1(a)为R/C=1000, M=30%的RF有机气凝胶的SEM照片，颗粒形成的团簇呈珊瑚状，这些团簇大小不一，孔洞的大小也不一，这表明RF气凝胶是典型的无序多孔结构. 图1(c)为对应的碳气凝胶的SEM照片，可以看出RF气凝胶碳化后，颗粒变得光滑，但依然保持着原来无序多孔的网络结构.(a) RF aerogels, M=30%, R/C=1000 (b) CRF carbon aerogels, M=30%, R/C=500(c) CRF carbon aerogels, M=30%, R/C=1000 (d) CRF carbon aerogels, M=30%, R/C=1500图1 RF和CRF气凝胶的SEM照片Fig.1 SEM images of RF and CRF aerogels at different R/C ratios第5期 秦仁喜等：碳气凝胶的常压干燥制备及结构控制 431 图1(b)∼(d)是M =30%, R/C 比分别为500, 1000和1500的碳气凝胶的SEM 照片. 由图可见，R/C =500时，颗粒直径较小，一般在100 nm 以下；R/C =1000时，颗粒直径在100∼200 nm 之间；R/C =1500时，颗粒尺寸明显变大，在1 µm 左右. 因此通过改变R/C 比值，可以实现气凝胶颗粒结构从纳米到微米量级的控制. ３．２ Ｍ值对碳气凝胶结构的控制作用 溶剂的质量分数M 值也是控制材料结构的一个重要参量，同时与催化剂也是相互关联的. 当R/C ≥1500时，M ≤20%的溶胶由于水太多而无法凝胶；当R/C ≤500时，M ≥50%的溶胶经凝胶后孔洞太少而过于致密. 当R/C =1000，M 由25%至50%以5%逐渐递增时，颜色逐渐由桔黄色→黄色→褐色发生变化并加深，相对应的碳气凝胶的密度也逐渐变大，如表1所示. 从表可以看出，RF 气凝胶经过碳化后，虽然质量减少了，但是相应体积也缩小了，因而密度改变不大，同时保持着原有的网络结构.通过低温氮气吸附测试，可得到不同R/C 比和M 值的碳气凝胶的比表面积. 由表1可以看出，碳气凝胶的比表面积在250∼550 m 2/g ，这表明常压干燥得到的碳气凝胶相对于超临界干燥方法制备所得的样品(400∼800 m 2/g)[8]，依然具有较高的比表面积.表１ 碳气凝胶的密度和比表面积 Table 1 Density and specific surface area of carbon aerogelsSample seriesR/C ratio M (%) RF density (kg/m 3)CRF density (kg/m 3)BET surface area (m 2/g)S1 500 30 661.8 613.0 303.7 S2 1000 30 433.0 514.2 487.5 S3 1500 30 396.5 242.9 521.9 S4 2000 30 251.0 270.1 358.3 S5 1000 20 347.8 460.5 317.9 S6 1000 40 465.9 488.8 403.4 S7 1000 50 661.2 574.8 325.2 S8 1500 40 489.5 437.2 290.6 S9150050622.4658.8309.3通过孔径测试，采用BJH 方法[9]计算得到碳气凝胶的孔径分布如图2. 由图可见，随着M 值由30%, 40%到50%上升，曲线的峰值相应由60, 40到15 nm 下降，这表明水溶剂量的减少直接导致了孔径的减小，因此可以通过改变溶剂的用量来调节结构孔洞的大小.４ 讨 论 ４．１ 溶胶−凝胶反应过程分析 溶胶−凝胶反应过程如图3，在碱性催化剂的作用下，间苯二酚苯环上的2, 4或6位迅速加上甲醛分子，在溶液中形成大量替换有甲醛分子的间苯二酚单体，随后单体通过表面官能团−CH 2OH 发生缩聚反应，苯环之间以亚甲基(−CH 2−)或亚甲基醚桥(−CH 2−O −CH 2−)相互交联，形成一个个胶体小颗粒. 胶体颗粒相互缩聚形成团簇，团簇继续缩聚最终形成贯通容器的网络状凝胶.在碱性条件下，水解反应非常迅速而缩聚反应则相对缓慢. 反应过程中温度对缩聚反应的影响比较大. 当反应溶液于25o C 时，快速水解反应之后，胶体颗粒开始聚合间苯二酚单体而缓慢长1101000.000.050.100.150.200.250.300.35P o r e v o l u m e (c m 3/g )Pore diameter (nm)图2 碳气凝胶的孔径分布Fig.2 Pore diameter plot of carbon aerogels432 过 程 工 程 学 报 第4卷大. 在50o C 时主要发生胶体颗粒的团聚反应从而形成凝胶结构，90o C 加热则是为了老化凝胶，使游离在溶液中的间苯二酚单体缩聚到凝胶骨架上从而增强凝胶的强度. 因此溶胶在室温下静置的时间越长，最终生成的碳气凝胶的颗粒直径也就越大.随着R/C 比的增大，即碱性催化剂的浓度减小，缩聚反应也变得更容易，这样更多的间苯二酚单体会通过缩聚连至胶体颗粒上，从而导致了胶体颗粒的增大. 实验结果也表明，当R/C 比由500, 1000增至1500时，碳气凝胶的颗粒直径也由小于100和100~200 nm 增大到1 µm. 一般R/C 比值越高，反应生成的颗粒尺寸也越大，颗粒之间的胶联也更疏松.反应中M 值越小，即相应的溶剂量越大，意味着溶胶中胶体颗粒浓度的降低，这样就会导致凝胶过程减缓，同时也增大了凝胶的孔洞. 例如当R/C=1000而M 值由50%, 40%降到30%时，碳气凝胶的孔径峰值也相应由15, 40增加到60 nm ；而在R/C ≥1500时，M ≤20%的溶胶因为水太多根本无法凝胶.４．２ 常压干燥的实现途径 生成的RF 湿凝胶在常压条件下干燥时，由于溶剂表面张力的作用，会导致样品发生收缩或开裂. 干燥时为了保持凝胶态的结构，常采用超临界干燥工艺，使凝胶中的液体在高压条件下超过临界点，使气液界面消失，因而表面张力也就不复存在[6]，但同时也增加了实验的成本和风险.在常压条件下，溶剂挥发前凝胶介孔中的液体弯月面会产生一个毛细压力，如图4，将介孔近似看作圆柱体，则毛细压力为[10]P =2γcos θ/r , (1)式中γ为液体的表面张力，θ为界面接触角，r 为细孔半径.当凝胶中的液体为水时，常温下γ=72.8 mN/m, r =15 nm, θ=π/3，则毛细压力可达4.9 MPa. 其它溶剂如乙醇、丙酮的液体表面张力分别为30.8和26.3 mN/m ，因此选择以丙酮替换水溶剂后，毛细压力能降低3倍左右.通过增大R/C 比，一方面会增大凝胶孔径，如低R/C 比(50∼300)凝胶孔径范围为10∼30 nm [11]，而R/C >500以上对应的孔径则为30∼120 nm. 由式(1)可知，介孔半径r 增大也能降低毛细压力P ，这样由于孔径的增大将会导致毛细压力降低3倍左右；另一方面凝胶颗粒会变大，网络骨架变粗，相对于低R/C 比生成的纤细网络结构具有更大的抗毛细压力强度. 同时通过延长凝胶老化时间，将极大地改善并增强凝胶的结构和强度，从而降低毛细压力对结构的破坏作用．图3 水解与缩聚反应Fig.3 Process of hydrolyzation and polycondensation图4 毛细压力示意图Fig.4 Schematic diagram of capillary pressureSolventGelP i +1P irP i−1θ第5期 秦仁喜等：碳气凝胶的常压干燥制备及结构控制 433 ５ 结 论 (1) 通过提高R/C比值并以丙酮替换水溶剂，在增加凝胶强度的同时降低了液体的毛细压力，成功实现了碳气凝胶的常压干燥.(2) 在样品制备过程中，随着催化剂用量的减少，碳气凝胶颗粒的直径由几十纳米增大到1~2µm；碳气凝胶的孔径随着溶剂用量的增加也相应增大.(3) 常压干燥得到的碳气凝胶样品，具有250∼650 kg/m3的低密度和250∼550 m2/g的高比表面积.参考文献：[1] Nicola H, Ulrich S. 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London: Butterworth, 1958. 68.[10] Hiemenz P C, Rajagopalan R. Principles of Colloid and Surface Chemistry [M]. New York: Marcel Dekker Inc., 1997.284−285.[11] 蒋伟阳，王珏，沈军，等. RF气凝胶的性能测试和应用研究 [J]. 同济大学学报, 1997, 25(2): 247−251.Preparation of Carbon Aerogels by Conventional Drying andTheir Control in MicrostructureQIN Ren-xi, SHEN Jun, WU Guang-ming, ZHOU Bin, WANG Qin, NI Xing-yuan, GUO Yan-zhi(Pohl Institute of Solid State Physics, Tongji University, Shanghai 200092, China)Abstract:Carbon aerogels were dried successfully at ambient pressure by decreasing catalyst and exchanging solvents. SEM, BET and pore size distribution techniques were used to characterize the morphology and pore structure of the carbon aerogels. The structures of carbon aerogels are controlled from micro pore to macro pore by changing the concentration of catalyst and solvent. The size of the particles increases from less than 100 nm,100∼200 nm to 1∼2 µm with R/C ratios increasing from 500, 1000 to 1500. The pore diameter of carbon aerogels decreases from 60 nm, 40 nm to 15 nm by increasing RF concentration from 30%, 40% to 50% while R/C ratiobeing 1000. The samples prepared by conventional drying have low density of 250∼650 kg/m3 and a high specificsurface area of 250∼550 m2/g. The reaction mechanism of the sol−gel process and the way to dry aerogels at ambient pressure by enhancing material intensity and reducing capillary pressure were discussed.Key words: carbon aerogels; conventional drying; capillary pressure。
二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶和碳气凝胶
二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶和碳气凝胶全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶和碳气凝胶是当前市场上比较常见的四种气凝胶材料。
它们在吸附剂、催化剂、隔热材料、保温材料、光学材料等领域有着广泛的应用。
今天我们就来详细了解一下这四种气凝胶材料的特点和应用。
首先是二氧化硅气凝胶，它是目前应用最广泛的一种气凝胶材料。
二氧化硅气凝胶具有超大比表面积、高孔隙率和优异的吸附性能。
这种材料具有轻重、隔音、隔热等优点，适用于制作隔热材料、吸附剂等。
在建筑材料中，二氧化硅气凝胶也有广泛的应用，可以制作保温砖、隔热涂料等。
二氧化硅气凝胶还可以作为光学材料，在激光、红外、紫外等波段具有较好的透过性。
在光学成像、光学通信等领域也有着广泛的应用。
接下来是氧化铝气凝胶。
氧化铝气凝胶是一种非常轻质的气凝胶材料，具有疏水性和隔热性能。
由于其高纯度和孔隙结构特点，氧化铝气凝胶被广泛应用于高温隔热材料、火灾防护材料等领域。
氧化铝气凝胶还具有优异的吸声性能，因此在汽车、飞机等交通工具中也有着广泛的应用。
在电子元器件中，氧化铝气凝胶还可以作为捕捉器件和隔离材料使用。
最后是碳气凝胶。
碳气凝胶是一种具有微孔结构的碳材料，具有超大比表面积和孔隙率。
由于其具有优异的吸附性能和导电性能，碳气凝胶被广泛应用于电池、超级电容器、吸附剂等领域。
在环境保护领域，碳气凝胶还可以使用于有机废水处理、污染气体吸附等方面。
在催化剂制备中，碳气凝胶也有着广泛的应用，可以用于制备金属和半导体催化剂。
二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶和碳气凝胶是四种具有独特特点和广泛应用领域的气凝胶材料。
它们在各个领域中都有着重要的应用价值，为我们的生活和科技发展提供了重要支持。
希望未来能够有更多的气凝胶材料问世，为人类社会带来更多的发展机遇。
【本文2004字】。
第二篇示例：气凝胶（aerogel）是一种具有微孔结构的固体材料，其空隙比表面积极高，吸附性能极强，是一种优秀的多功能材料。
导电碳基气凝胶作为超级电容器电极的性能测试实验报告
导电碳基气凝胶作为超级电容器电极的性能测试实验报告
导电碳基气凝胶是一种具有高比表面积和优异导电性能的材料，被广泛应用于超级电容器电极领域。
下面是一份关于导电碳基气凝胶作为超级电容器电极性能测试实验报告的摘要：
实验目的：
通过测试导电碳基气凝胶作为超级电容器电极的性能参数，评估其在电存储领域的应用潜力。
实验方法：
1. 制备导电碳基气凝胶电极材料；
2. 制备超级电容器样品，选择适当的电解液和隔膜；
3. 使用电化学工作站进行循环伏安测试、恒流充放电测试，并记录相应电流电压数据；
4. 分析实验结果，评估导电碳基气凝胶电极的性能。
实验结果：
1. 循环伏安测试显示，导电碳基气凝胶电极具有良好的电容循环稳定性；
2. 恒流充放电测试表明，导电碳基气凝胶电极具有较高的比容量和能量密度；
3. 通过比较实验结果，发现导电碳基气凝胶电极相对于传统材料具有更好的电化学性能。
结论：
导电碳基气凝胶作为超级电容器电极具有良好的性能表现，其具备高比表面积、优异导电性能和较高的能量密度，可以被广泛应用于电能存储领域。
请注意，此为一份虚拟的实验报告摘要，具体实验过程和结果需要根据实际情况进行详细描述和分析。
同时，实验结果也可能因材料性质、实验条件等因素而有所差异。
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碳气凝胶的结构重整及其电化学行为徐子颉*吉涛赵蕾王玮衍杨春艳甘礼华(同济大学化学系,上海200092)
摘要:将碳气凝胶(CAs)在金属钠熔体中于800°C加热3h,制得结构重整的碳气凝胶(RCAs),并研究了它们的电化学行为.采用X射线粉末衍射(XRD)、激光散射拉曼(Raman)光谱、气体的吸附与脱附(BET法)、透射电子显微镜(TEM)以及电化学阻抗谱(EIS)等手段,对CAs和RCAs样品分别进行了表征.结果表明:无定形态的碳单质微粒在金属钠作用下发生结构重排;所得RCAs的比表面积比CAs的大约增加48%;RCAs中孔径在2和4nm尺寸处,呈现比较集中的分布,孔径小于10nm以下的孔体积占其总孔容的30%,是CAs的3倍.CAs和RCAs样品的电化学测试结果表明:RCAs内部接触电阻约为CAs的45%,并保持了明显的电容特性.
关键词:碳气凝胶;金属钠熔体;结构重整;电化学阻抗谱中图分类号:O646;O642;O792
RestructuredCarbonAerogelsandTheirElectrochemicalPerformancesXUZi-Jie*JITaoZHAOLeiWANGWei-YanYANGChun-YanGANLi-Hua(DepartmentofChemistry,TongjiUniversity,Shanghai200092,P.R.China)
Abstract:Restructuredcarbonaerogels(RCAs)wereobtainedbyannealingcarbonaerogels(CAs)insodiummeltat800°Cfor3handthedifferencesinelectrochemicalperformancebetweentheresultantCAsandRCAswerestudied.X-raydiffraction(XRD),Ramanscatteringspectra,gasphysisorption(BET),transmissionelectronmicroscopy(TEM),andelectrochemicalimpedancespectroscopy(EIS)wereusedtoprobethestructuresofCAsandRCAs.Thestudiesindicatedthattheamorphouscarbonparticleswererearrangedinsodiummelt,inwhichthesurfaceareaoftheresultantRCAswas48%largerthanthatofCAs.Twoconcentratedporedistributionswereobservedattheaperturesof2and4nminRCAs.Theporevolumeataperturesbelow10nmis30%ofthetotalvolumeinRCAs,whichis3timesasmanyasthatinCAs.ElectrochemicalperformancesofbothCAsandRCAswereinvestigatedandtheresultsindicatethattheinnerresistanceofRCAsisonly45%ofthatinthesampleofCAs.TheresultsalsoindicatethatRCAsdisplaygoodperformanceincapacitancecharacteristics.
KeyWords:Carbonaerogel;Sodiummelt;Restructure;Electrochemicalimpedancespectroscopy
[Article]doi:10.3866/PKU.WHXB201112063www.whxb.pku.edu.cn物理化学学报(WuliHuaxueXuebao)ActaPhys.-Chim.Sin.2012,28(2),361-366February
Received:September26,2011;Revised:November26,2011;PublishedonWeb:December6,2011.∗Correspondingauthor.Email:xuzijie-tj@126.com;Tel:+86-21-65982654-8430.
TheprojectwassupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(20973127).国家自然科学基金(20973127)资助项目ⒸEditorialofficeofActaPhysico-ChimicaSinica
1引言碳气凝胶(CAs)是一种由无定形碳纳米颗粒通过化学键连接构成的三维网络骨架的多孔材料,它具有比表面积大、导电性优良等特性,在新能源电池和超级电容器方面展现出重要的应用前景.1-6随着人们对CAs材料及其应用研究工作的深
入开展,对该材料性能提出了更高的要求,希望获得导电性更好的CAs材料.7,8然而,CAs的导电性与该材料的制备方法有很大的相关性.一般的制备方法是以有机物作前驱体,经过溶胶-凝胶过程,形成三维的网络骨架结构,然后通过超临界流体干燥工艺或经改进的常压干燥工艺对其干燥,再经过碳化
361ActaPhys.-Chim.Sin.2012Vol.28处理,最终获得产品.9-12由于通过前驱体裂解产生的纳米碳颗粒由微小的乱碳层的残片,即碳单质微粒杂乱无章地堆砌而成,使得CAs的导电性以及电容性能都不能满足实际应用的要求,促使人们进一步开展对CAs进行结构优化的研究工作.对CAs石墨化处理是目前提高该材料导电性的主要途径.由于无定形碳需要在2200°C以上的高温条件下才能对其直接进行石墨化,而高温对材料结构的破坏性极大.因此,目前普遍采用催化石墨化的方法,在1200°C左右的温度条件下,对CAs进行石墨化处理.在该方法中,一般将铁、钴、镍、锰等金属盐与碳的先驱物在溶胶-凝胶过程中共凝胶,然后,经过凝胶的干燥过程和碳化处理并在1000-1200°C条件下,对含有催化剂的CAs进行热处理,最终得到石墨化的CAs.13-17但是,在金属盐与碳前驱体的共凝胶化过程中,由于金属离子的电荷效应,改变了原有胶体粒子的表面性质,使得共凝胶化的条件变得更加苛刻,改变了CAs原有的包括孔体积、孔径、孔隙率及比表面积等在内的结构特征;另外,该方法需要使用大量的强酸溶液来去除残留的金属化合物,工业化生产时将产生大量的工业废酸,对环境不友好.本文作者先期对无定形碳在金属钠熔体中的相变进行研究,结果表明杂乱无章的碳颗粒在金属钠熔体中发生重排,并获得一种在较低温度条件下对无定形碳实施石墨化处理的方法,18为本文的研究工作奠定了基础.本文在金属钠熔体中,实现了CAs骨架上的碳单质微粒的重排并获得了结构重整的碳气凝胶(RCAs).对所得样品分别进行X射线粉末衍射(XRD)、拉曼激光散射(Raman)、气体吸附-脱附(BET法)、透射电子显微镜(TEM)以及电化学阻抗谱(EIS)等方法的表征,研究了CAs在结构重整前后,其结构特征和电化学行为的变化.探讨了由金属钠熔体引起CAs结构改变的机理.为改善CAs材料电化学特性探索了一条新的途径.2实验2.1试剂氢氧化钾(AR,>96%,上海强顺化学试剂有限公司),间苯二酚(AR,≥99.5%,上海新天峰化工有限公司),甲醛(AR,37.0%-40.0%,上海海曲化工有限公司)、十六烷基三甲基溴化铵(AR,≥99.0%,中国医药集团化学试剂公司)以及钠(CP,≥98%,中国医药集团化学试剂公司).2.2CAs的制备采用文献12报道的制备方法,分别将间苯二酚(5.0g)和十六烷基三甲基溴化铵(0.083g)加入到预先配制的甲醛(6.3g)和水(7.3mL)溶液中,充分搅拌至均匀后,将该溶液移至带玻璃塞的磨口锥形瓶中,在85°C的水浴中保温5d,得到半透明的凝胶,取出后在室温下自然干燥2d,然后在红外灯下照射5h,并在110°C干燥5h,再在氮气保护下于800°C恒温3h,最后得到CAs.2.3CAs的结构重整分别称取CAs(5g)和金属钠(4g),将它们放置在带盖的氧化铝坩埚中,然后将其置于管式炉中,在氮气气氛中,以5°C·min-1的升温速率加热至800°C并在该温度下保温3h,然后冷却至室温,取出样品并用蒸馏水洗涤至洗液的pH值为7.0,再在烘箱内于70°C干燥,最终得到RCAs样品.2.4表征2.4.1材料特性使用AdvD8型X射线衍射仪(德国,Bruker)对样品进行XRD表征,测试条件为40kV,40mA,CuKα射线;使用Invia型显微共聚焦拉曼光谱仪(英
国,Rainshaw)对所有样品进行拉曼光谱分析;使用TriStar3000型比表面积和孔隙度分析仪(美国,Micromeritics),采用Brunauer-Emmett-Teller(BET)法分析样品的比表面积、孔径分布以及孔结构特征;使用场发射透射电子显微镜(美国,FEITECNAIG2S-TWINF20型),对所得样品进行TEM形貌表征.2.4.2电化学行为在室温下分别将CAs、RCAs和聚四氟乙烯粘结剂按质量比为9:1混合均匀,压制成直径为14mm的薄片,每片的含碳量约为15mg,以镍网为载体,将碳片压制于镍网一端,然后将其在质量浓度为30%的氢氧化钾溶液中浸泡24h,制得测试样品.以测试样品作为工作电极,饱和甘汞电极作为参比电极,镍网作为对电极,一起组成三电极体系,电解液为30%(质量分数)的氢氧化钾水溶液,采用CHI600D电化学工作站对CAs和RCAs分别采用循环伏安法和交流阻抗法测试.循环伏安测试条件:电势窗口为-1.0至0V,扫描速率为5-30mV·s-1;交流阻抗测试条件:测试频率为0.1-105Hz,起始电压为0V,振幅为0.005V.
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