【引言】

气凝胶是一类多(duō)孔轻质材料，通常是由溶胶-凝胶方法制得。气凝胶的独特结构使其具有(yǒu)许多(duō)迷人的物(wù)理(lǐ)特性，诸如超低密度、高表面积、优异的传质性能(néng)和低导热性等。目前包括金属氧化物(wù)、聚合物(wù)、碳化物(wù)以及金属等都已经能(néng)够用(yòng)于制备气凝胶材料，其中基于聚合物(wù)的碳气凝胶尤為(wèi)重要。碳气凝胶能(néng)够实现高反应表面积和通向这种表面传输路径的理(lǐ)想组合，因而在非均相催化剂载體(tǐ)、吸附剂、绝缘材料以及電(diàn)极材料等方面具有(yǒu)重要的应用(yòng)前景。近年来，碳纳米管和石墨烯的发现极大地促进了聚合物(wù)基碳气凝胶的发展和应用(yòng)。碳纳米管和石墨烯气凝胶都可(kě)以通过化學(xué)气相沉积和分(fēn)散體(tǐ)系凝胶化的方法来进行制备，但是前驱體(tǐ)昂贵以及合成需要涉及复杂设备限制了这些气凝胶的实际应用(yòng)。因此，开发更简单和经济的途径（例如利用(yòng)碳水化合物(wù)、纤维素以及蛋白质等可(kě)再生资源為(wèi)原料）来制备纳米碳气凝胶成為(wèi)必然的发展趋势。

【成果简介】

中國(guó)科(kē)學(xué)技术大學(xué)俞书宏教授（通讯作者）在Angew. Chem. Int. Ed. 上发表了题為(wèi)“Emerging Carbon Nanofiber Aerogels: Chemosynthesis versus Biosynthesis”的综述文(wén)章，集中阐述了新(xīn)兴碳纳米纤维气凝胶的化學(xué)合成与生物(wù)合成方法。首先展示了如何通过化學(xué)合成和生物(wù)合成的方法来制备碳纳米纤维（CNF）气凝胶，然后讨论了两种制备CNF气凝胶方法的合成特点，集中在结构和功能(néng)的多(duō)样性以及CNF气凝胶的物(wù)理(lǐ)化學(xué)性质和潜在应用(yòng)。此外，作者还展示了基于可(kě)再生前驱體(tǐ)的CNF气凝胶与CNT和石墨烯气凝胶相比在诸多(duō)应用(yòng)中具有(yǒu)竞争优势。

【图文(wén)导读】

图1 制备CNF气凝胶的两种策略示意图：化學(xué)合成与生物(wù)合成

图2 CNF气凝胶的化學(xué)合成

(a) 合成过程的示意图；

(b) 大尺寸整體(tǐ)湿凝胶的照片；

(c) 具有(yǒu)3D纳米纤维网络的HTC-CNF气凝胶的SEM图像；

(d) 各种直径的HTC-CNF的SEM图像；

(e) 在不同温度下HTC-CNFs直径与HTC反应时间的关系。

图3 CNF气凝胶的生物(wù)合成

(a) BC的生物(wù)来源以及原纤维形成的示意图；

(b) 在实验室中由醋杆菌属细菌产生的BC薄膜；

(c) 在工厂里工业规模生产的BC薄膜；

(d) BC气凝胶的SEM图像；

(e) BC-CNF气凝胶的SEM图像。

图4 CNF气凝胶衍生的纳米复合材料

(a) N和S原子掺杂的BC-CNF气凝胶的元素面扫描图；

(b) Fe和N原子掺杂的HTC-CNF气凝胶的元素面扫描图；

(c) Ag/HTC-CNFs纳米复合材料的形貌；

(d) MoS₂/HTC-CNFs纳米复合材料的形貌；

(e) MnO/HTC-CNFs纳米复合材料的形貌；

(f) SnO₂/BCCNFs纳米复合材料的形貌；

(g) Mo₂C/N-BC-CNFs纳米复合材料的形貌；

(h) Mo₂Se/BC-CNFs纳米复合材料的形貌。

图5 CNF 气凝胶的总结和展望

【小(xiǎo)结】

在这个综述中，作者主要介绍了HTC-CNFs和BC-CNFs两种新(xīn)兴的CNF气凝胶，它们可(kě)以通过化學(xué)合成和生物(wù)合成的策略制备出来，而且两种合成方法都适用(yòng)于大规模CNF气凝胶的生产。在化學(xué)合成制备的CNF气凝胶方面，寻找低成本和环保的模板以取代目前昂贵的TeNWs对于可(kě)持续合成非常重要。而与HTC-CNF的可(kě)控化學(xué)合成相比，BC-CNFs气凝胶的结构参数更加难以有(yǒu)效控制，这是由于在微生物(wù)发酵过程中对BC微结构的操作是十分(fēn)有(yǒu)限的。展望未来，作者指出化學(xué)合成与生物(wù)合成两种方法的有(yǒu)机结合有(yǒu)望為(wèi)CNF气凝胶的研究提供新(xīn)的机遇。此外，CNF气凝胶基功能(néng)材料的性能(néng)需要通过设计独特的结构、改变其物(wù)理(lǐ)性质以及控制合适的成分(fēn)等来进一步提升。