氣凝膠由于其高比表面積、高孔隙率、低密度和低熱導率等優(yōu)異性能，已被廣泛應用于隔熱保溫、吸附、催化和能源等領域，但隨著氣凝膠應用領域的越發(fā)廣泛，普遍應用于650 ℃及以下隔熱領域的傳統(tǒng)SiO2氣凝膠在高溫下結構易坍塌，致使材料致密化，從而喪失其優(yōu)異性能，其他氧化物基氣凝膠的高溫熱穩(wěn)定性也有待進一步加強，高溫局限性極大地限制了氧化物基氣凝膠在高溫領域的應用。
碳化物是一種高硬度、高熔點和化學性質(zhì)穩(wěn)定的化合物，一般通過原位生成法制得，在制備過程中控制工藝參數(shù)將碳化物制成氣凝膠結構，可提升氣凝膠材料的使用性能，與傳統(tǒng)的二氧化硅氣凝膠相比，碳氣凝膠具有更高的強度、更大的孔隙率、更小的顆粒直徑、更大的比表面積及更低的高溫熱導率，在催化劑載體、電容器及吸附材料等領域具有廣闊的應用前景。
據(jù)研究報告指出，2016 年全球氣凝膠年市場價值已達5. 129 億美元，按照復合年增長31. 8%估算，到2026 年全球氣凝膠年市場價值將達80 多億美元。碳氣凝膠及其衍生物作為氣凝膠市場的重要組成部分，已經(jīng)成為一種業(yè)界重點發(fā)展的新型氣凝膠材料。
碳氣凝膠的制備
碳氣凝膠（CAs）制備來源廣泛，合成路徑多樣。不同前體一般經(jīng)過溶膠－凝膠、溶劑交換、理想干燥得到有機氣凝膠，然后經(jīng)熱解碳化得到碳氣凝膠。CAs的制備首先要選擇合適的前體，在制備過程中通過改變物料配比、催化體系、凝膠化時間和引入造孔劑等手段調(diào)控氣凝膠特性。
生物質(zhì)基前體符合現(xiàn)代綠色化學理念，普遍具有生物相容性、生物可降解性等特點受到廣泛關注。冬瓜皮、秸稈、絲瓜等前體因廉價易得、自摻雜 N、S、O 元素等特點已用作 CAs 制備。另外，還有研究者通過引入其他物質(zhì)如納米線、納米管、石墨烯等材料形成復合碳氣凝膠，賦予碳氣凝膠目標的孔結構和彈性。
凝膠的干燥包括去除濕凝膠粒子間的分散相( 水) 和填充新分散相( 氣體) 兩步，常采用 3 種干燥方法：超臨界干燥、冷凍干燥和常壓干燥。最成熟的方法是超臨界流體干燥技術，即對加壓容器升溫，使溫度和壓力超過干燥介質(zhì)的臨界點，介質(zhì)變成超臨界態(tài)的流體，表面張力不復存在，大大減弱分子間的相互作用力，之后將這種超臨界流體從壓力容器中緩慢釋放，即可達到去除凝膠內(nèi)剩余溶液而不改變凝膠結構的目的。冷凍干燥常見于生物基碳氣凝膠的干燥過程中，在真空或者負壓條件下，直接將凝膠中的水分子升華，可處理量大，工藝直接。常壓干燥即在大氣壓下直接干燥樣品，可以通過引入能大大降低溶劑表面張力的介質(zhì)或提升凝膠本身強度來減少對孔結構的破壞，常見的溶劑有乙醇，丙酮、異丙醇等。
碳化物及其復合氣凝膠
1、SiC及其復合氣凝膠
SiC 的硬度僅次于金剛石，且具有低熱膨脹系數(shù)、高耐磨性和化學性能穩(wěn)定等優(yōu)點，但SiC熱導率高，研究表明可通過制成氣凝膠結構從而改善SiC的隔熱性能。研究學者們通過引入Si、O、C等元素或復合其它高性能材料制得碳氣凝膠，獲得多種高性能目標碳氣凝膠材料，應用于對材料質(zhì)量要求苛刻的領域。
2、SiOC 氣凝膠
SiOC氣凝膠是由 Si、O、C 三種元素不按固定化學計量比組成的，可通過控制元素配比來調(diào)控 SiOC氣凝膠的性能，從而應用于不同領域。最早SiOC 材料因其內(nèi)部含有Si—O和Si—C鍵，被當作SiOC玻璃前驅(qū)體使用，表現(xiàn)出較高的力學強度和化學耐久性，因其具有氣體敏感特性而被應用于氣體傳感器領域，還因為其內(nèi)部無序游離碳及無定形基體具有優(yōu)良的電化學儲存性能，被廣泛用于鋰離子電池領域。
3、ZrC 及其復合氣凝膠
ZrC 作為一種高熔點、高硬度、高化學穩(wěn)定性的金屬碳化物，常應用于超硬材料、表面涂層等領域，在制備過程中將其氣凝膠結構化，可在保留 ZrC 本身優(yōu)良物理特性的前提下，實現(xiàn)材料的超級絕熱隔熱。
碳氣凝膠的應用
1、污水處理
碳氣凝膠微孔結構豐富，具備很強的天然吸附能力。經(jīng)過表面處理后，碳氣凝膠可以成為一種新型環(huán)境保護材料。以海藻酸鈣為前體制備海藻酸鈣碳氣凝膠，在油水分離實驗探究中， 分別用15、18 s 將水上油和水下油吸附完全，在污水處理中有巨大的應用潛力。
2、相變保溫基材
面對極端環(huán)境變化，溫度和傳熱控制在高溫的防護服和航天設備上應用是極其重要的，CAs 以優(yōu)秀的高溫隔熱性能在相變材料中有重要應用。碳氣凝膠通過復合其它材料提高材料性能，增大相變材料在基材負載量，來顯著提高材料熱穩(wěn)定性。
3、超級電容器
超級電容器根據(jù)工作原理分為雙電層電容器( EDLCs) 和法拉第贗電容器 2 種類型。前者的基本原理是一種靜電吸引作用，后者的工作原理是電解質(zhì)與電極表面之間發(fā)生的氧化還原反應。研究學者通過碳氣凝膠的改性制備，大大提高電容器性能，降低電容器開發(fā)成本。
4、其它
CAs是優(yōu)秀的電磁屏蔽材料。有研究學者合成了一種石墨烯氣凝膠膜( GAF) 展示出了優(yōu)異的電磁屏蔽性能，實驗表明，電磁屏蔽性能與膨脹程度呈現(xiàn)顯著的正相關，在多層結構中厚度方向的膨脹顯著增強了材料的屏蔽效能。
CAs 還有望解決氫氣的安全儲運問題。金屬摻雜的 CAs 能把儲存的氫分子分解為氫原子，使更多的氫進入到材料的孔道結構中而沒有爆炸風險，從而提高儲氫量。
綜上，在環(huán)保方面，碳氣凝膠可以用于污水處理、海水淡化、重金屬離子吸附、有機廢氣處理等，市場容量巨大；在節(jié)能保溫方面，通過深挖高端、微型化方式已經(jīng)在航天、石油化工等領域初見市場應用；儲能方面，碳氣凝膠是用于制作超級電容器的最佳材料。未來，開發(fā)成熟、低成本，可再生和生物降解的前體是碳氣凝膠大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)、應用和減低成本的發(fā)展方向。
