新型納米材料論文范文

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1炭干凝膠的制備及改性

1．1炭干凝膠的制備

傳統(tǒng)炭凝膠的制備一般經(jīng)過有機(jī)凝膠的形成、干燥和炭化過程3個(gè)步驟，炭干凝膠的具體合成步驟如下：首先采用間苯二酚和甲醛為原料在堿性催化劑下合成聚合物中間體，再經(jīng)過進(jìn)一步的交聯(lián)形成空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的氣凝膠；然后在常壓下直接蒸發(fā)干燥；最后在惰性氣氛（氮?dú)饣驓鍤猓┗蛘婵諚l件下高溫炭化。經(jīng)上述步驟制得的炭干凝膠具有比表面積大、導(dǎo)電性能好等特性。炭干凝膠是指在干燥步驟采用常壓干燥的方式制備所得的材料。盡管常壓干燥會(huì)引起材料孔道塌陷，但因其成本低廉成為近年來研究的熱點(diǎn)。

1．2炭干凝膠的改性

近年來，國內(nèi)外學(xué)者采用摻雜和復(fù)合的方法對(duì)炭干凝膠進(jìn)行改性，改善并提升了其物理化學(xué)性質(zhì)，使其更為廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

1．2．1氮摻雜炭干凝膠

Castilla等采用3－羥基吡啶等為氮源合成了氮摻雜炭干凝膠，研究結(jié)果表明，采用不同的原料配比和不同的炭化溫度（500～900℃）可以得到一系列氮含量不同的炭干凝膠。Gorgulho等在間苯二酚和甲醛為原料的基礎(chǔ)上，添加三聚氰胺和尿素為氮源，成功合成了氮摻雜炭干凝膠，以調(diào)控炭干凝膠的表面功能基團(tuán)。結(jié)果表明，經(jīng)過氮源摻雜合成的炭干凝膠，材料的表面堿度均有提升。

1．2．2金屬摻雜炭干凝膠

為了增強(qiáng)炭干凝膠的導(dǎo)電、催化等性能，很多學(xué)者成功制備了各種金屬摻雜的炭干凝膠。Pramanik等成功合成了錳、鈷和鈣等金屬摻雜的炭干凝膠，研究了金屬摻雜對(duì)材料比表面積及形貌的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)間苯二酚與甲醛摩爾比為0．35，初始酚醛樹脂溶液pH為3．0，摻雜的錳鹽同間苯二酚質(zhì)量比為11％時(shí)，得到的錳摻雜炭干凝膠比表面積最大。Liu等對(duì)鐵、鈷和鎳摻雜的炭干凝膠進(jìn)行了表征，并對(duì)其磁性進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果表明，不同金屬摻雜對(duì)炭干凝膠的結(jié)構(gòu)性質(zhì)有顯著影響，3種金屬摻雜的炭干凝膠在室溫下均呈現(xiàn)出典型的鐵磁特性。

1．2．3炭干凝膠復(fù)合材料

Gomes等采用溶膠－凝膠法合成了二氧化鈦－炭干凝膠的復(fù)合材料，炭干凝膠作為載體增強(qiáng)了二氧化鈦與鉑顆粒的結(jié)合作用，該復(fù)合材料也成功應(yīng)用于鉑納米顆粒的光化學(xué)沉積。此外，F(xiàn)ernández等成功合成了碳納米管－炭干凝膠的復(fù)合材料，通過循環(huán)伏安法、充放電等手段對(duì)該復(fù)合材料的電化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，碳納米管的引入提升了材料的電容，而且在提升材料有效固相電導(dǎo)率的同時(shí)，還提升了液相電導(dǎo)率。

2炭干凝膠的應(yīng)用研究進(jìn)展

2．1儲(chǔ)氫

近年來，多孔炭材料因其具有高比表面積和輕質(zhì)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被廣泛地應(yīng)用于儲(chǔ)氫領(lǐng)域。Tian等采用酸性催化劑合成了炭干凝膠，并測(cè)試了其儲(chǔ)氫性能。結(jié)果表明，在pH為4．8的條件下合成的炭干凝膠，比表面積為1924m2／g，微孔容積為0．86cm3／g。在溫度為77K以及壓力為3．9MPa的條件下，合成所得炭干凝膠的儲(chǔ)氫量為4．65％（wt，質(zhì)量分?jǐn)?shù)），證實(shí)了炭干凝膠是一種極具前景的儲(chǔ)氫材料。

2．2電化學(xué)領(lǐng)域

炭干凝膠由于具有成本低廉、高比表面積和高電導(dǎo)率等優(yōu)良性能，是一種理想的電極材料。FernNdez等將炭干凝膠用于電化學(xué)超級(jí)電容器，通過循環(huán)伏安法、計(jì)時(shí)電勢(shì)分析法及交流阻抗測(cè)試研究了電容器阻抗理化參數(shù)同電化學(xué)行為之間的關(guān)系，研究結(jié)果表明炭干凝膠具有極高的比電容，可達(dá)280F／g。此外，炭凝膠電容器電吸附去除水溶液中重金屬和無機(jī)鹽的研究表明炭干凝膠用作電吸附劑在水體凈化等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用空間。

2．3催化劑及其載體

炭干凝膠所具備的比表面積大、穩(wěn)定性好、高度交聯(lián)的多孔結(jié)構(gòu)等特性使之成為催化劑及其載體的最佳選擇。Xin等采用錳摻雜的炭干凝膠作為催化劑，進(jìn)行了液相放電等離子體去除微囊藻毒素的研究，隨著炭干凝膠的加入，微囊藻毒素的去除率從75．3％提升到90．2％，并提出了相應(yīng)的氧化－吸附動(dòng)力學(xué)模型。Xu等將炭干凝膠作為金催化劑的載體，并篩選了用于苯甲醇選擇性氧化的最佳載體，原因在于炭干凝膠材料表面具有足量的含氧官能團(tuán)。Rodrigues等同樣將金催化劑負(fù)載于炭干凝膠上，并將其用于甘油的氧化，通過改變炭干凝膠的中孔大小來改變催化劑的選擇性。此外，Ale－gre等將鉑負(fù)載在炭干凝膠上用來催化甲醇的電氧化，同催化劑Pt／E－TEK相比，其催化性能提升了2倍多。炭干凝膠還可以用作用作質(zhì)子交換膜燃料電池的催化劑載體，該催化劑具有較高的循環(huán)電壓和一氧化碳及甲醇氧化電流，并且在采用炭干凝膠作為催化劑載體的燃料電池中，貴金屬顆粒的燒結(jié)趨勢(shì)很小。還有許多研究人員將炭干凝膠作為催化劑用于污染物的催化氧化。CA等研究了炭干凝膠以及二氧化鈰摻雜的炭干凝膠催化臭氧氧化的性能。對(duì)草酸的催化臭氧氧化結(jié)果表明，所有的催化劑均能在1h內(nèi)將其全部降解。

2．4環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域

在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，炭干凝膠已廣泛地應(yīng)用于水處理方面。Ca等將炭干凝膠應(yīng)用于亞甲基藍(lán)的吸附。結(jié)果表明，炭干凝膠微孔容積和微孔比表面積的增加能夠顯著提升其對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附量，并且通過朗格繆爾模型計(jì)算得到的結(jié)合能同商業(yè)的微孔活性炭相比有了45倍的提升。Figueiredo等將制備得到的炭干凝膠用于2種陰離子染料的吸附，獲得了良好的吸附效果。Almazan等研究了炭干凝膠結(jié)構(gòu)特性對(duì)于揮發(fā)性有機(jī)物甲基碘動(dòng)力學(xué)吸附的影響，結(jié)果表明吸附量同孔容密切相關(guān)，而且內(nèi)擴(kuò)散的傳質(zhì)阻力同孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。此外，Girgis等將炭干凝膠用于水中銅離子的吸附，吸附量為32～130mg／g，該研究為去除水體中的重金屬離子提供了一種新型的納米級(jí)多孔性炭材料。

3結(jié)語與展望

炭干凝膠作為一種新型的納米材料。具有許多獨(dú)特的性能，在近年來引起了廣泛關(guān)注。針對(duì)目前存在的問題，炭干凝膠今后努力的方向大致為以下幾個(gè)方面。

（1）制備工藝的完善與創(chuàng)新。

雖然目前國內(nèi)外已經(jīng)成功合成了不同孔徑結(jié)構(gòu)的炭干凝膠，并采用各種手段對(duì)其進(jìn)行了性能改良，但是離實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還有一定的距離。尋求適合工業(yè)發(fā)展的制備工藝，簡化流程、降低生產(chǎn)成本是今后努力的方向。

（2）理論體系的完善。

盡管目前已經(jīng)對(duì)炭干凝膠合成的機(jī)理有了很深入的研究，但如何實(shí)現(xiàn)孔徑結(jié)構(gòu)的完全可控還需要進(jìn)一步的研究。此外，在炭干凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理以及聚合單體的生長動(dòng)力學(xué)等方面也需要進(jìn)一步的努力。

（3）應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步拓展。

雖近年來炭干凝膠的應(yīng)用研究已經(jīng)涉及到各個(gè)領(lǐng)域，已取得相應(yīng)的研究成果，但總體而言應(yīng)用范圍還需要進(jìn)一步探索和開發(fā)。

作者：余呈祥雷樂成楊彬單位：浙江大學(xué)生物質(zhì)化工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室