碳納米纖維材料因具有高的比表面、優(yōu)異的機械性能及高電導(dǎo)率等優(yōu)異的物理性質(zhì)而受到廣泛關(guān)注，在能源、催化、環(huán)境、聚合物等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前針對特定應(yīng)用的功能化碳納米纖維材料的理性設(shè)計合成及性能優(yōu)化，仍然是制約其實際應(yīng)用的瓶頸。特別是，廉價、宏量、可持續(xù)制備碳納米纖維氣凝膠尚未實現(xiàn)。
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏研究團隊提出了一種催化熱解的方法來改變木質(zhì)納米纖維素的熱解過程，首次以廉價的木材為原材料制備了高質(zhì)量的超細(xì)碳納米纖維氣凝膠材料，該成果以“Wood-Derived Ultrathin Carbon Nanofiber Aerogels”為題，發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》雜志上（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 7085-7090）。論文的第一作者是博士生李思成。
基于木質(zhì)納米纖維素制備超細(xì)碳納米纖維氣凝膠材料
纖維素材料廣泛存在于自然界的植物中，由于其廣泛的來源、低成本以及對環(huán)境的友好，木質(zhì)纖維素材料是一種理想的制備碳納米纖維氣凝膠的前驅(qū)物。但是，因為木質(zhì)纖維素納米纖維極小的尺寸使其在熱解制備碳纖維過程中劇烈收縮而無法保持纖維的形態(tài)，迄今為止尚沒有使用木材為原材料成功制備碳納米纖維氣凝膠的先例。為此，研究人員提出了一種催化熱解的方法，通過使用對甲苯磺酸催化木質(zhì)納米纖維素在熱解前期迅速脫水，并改變其熱解過程和中間產(chǎn)物，使得納米纖維素在熱解后具有高的碳產(chǎn)率的同時，還能夠保持很好的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。該催化熱解轉(zhuǎn)化方法可將廉價豐富的自然界中的前驅(qū)物材料轉(zhuǎn)化為高附加值的碳納米纖維材料，對于發(fā)展可再生材料的綠色化學(xué)合成具有指導(dǎo)意義。
由該方法制備的超細(xì)碳納米纖維平均直徑僅為6 nm, 具有很高的電導(dǎo)率（710.9 S m-1）和比表面積 (553~689 m2 g-1)。因其獨特的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特點和優(yōu)異的導(dǎo)電性能以及高的比表面積，該研究團隊研制的由木材制備的碳納米纖維氣凝膠可以直接用于組裝無須粘結(jié)劑的超級電容器，并且在純碳超級電容器材料中表現(xiàn)出優(yōu)異的電容性能，這種新型碳納米纖維氣凝膠還可應(yīng)用于水體凈化、電催化劑載體和電池電極材料等。論文發(fā)表后，被學(xué)術(shù)媒體ScienceDaily、phys.org、Wiley NewsRoom等以“Wood to supercapacitors”為題作為研究亮點報道。
近年來，該團隊圍繞著碳納米纖維材料合成、功能化及應(yīng)用持續(xù)開展了一系列的研究，發(fā)展了模板指引的水熱碳化法及直接碳化生物質(zhì)細(xì)菌纖維素的方法宏量制備碳納米纖維氣凝膠材料，以此類材料為基礎(chǔ)通過合理的化學(xué)修飾功能化方法制備出了系列功能納米材料，并探索了這些材料在環(huán)境、能源、催化及聚合物復(fù)合物等領(lǐng)域的應(yīng)用（Acc. Chem. Res. 2013, 46, 1450-1461; Acc. Chem. Res. 2016, 49, 96-105）。
最近，該研究團隊?wèi)?yīng)邀為《德國應(yīng)用化學(xué)》撰寫題為“Emerging Carbon Nanofiber Aerogels: Chemosynthesis versus Biosynthesis”的評述論文（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, DOI: 10.1002/anie.201802663），系統(tǒng)分析和比較了該團隊發(fā)展的化學(xué)轉(zhuǎn)化法和生物法制備碳納米纖維材料的優(yōu)缺點，總結(jié)了這兩種合成路線制備的碳納米纖維材料的理化性質(zhì)、功能化的方法和應(yīng)用等方面取得的系列進(jìn)展，提出了今后有關(guān)碳納米纖維氣凝膠材料研究的建議和今后值得關(guān)注的科學(xué)問題。
上述工作受到國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國家自然科學(xué)基金重點基金、國家重大科學(xué)研究計劃、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究項目、中國科學(xué)院納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心、合肥大科學(xué)中心卓越用戶基金的資助。
