【引言】

氣凝膠是一類多孔輕質(zhì)材料，通常是由溶膠-凝膠方法制得。氣凝膠的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使其具有許多迷人的物理特性，諸如超低密度、高表面積、優(yōu)異的傳質(zhì)性能和低導(dǎo)熱性等。目前包括金屬氧化物、聚合物、碳化物以及金屬等都已經(jīng)能夠用于制備氣凝膠材料，其中基于聚合物的碳?xì)饽z尤為重要。碳?xì)饽z能夠?qū)崿F(xiàn)高反應(yīng)表面積和通向這種表面?zhèn)鬏斅窂降睦硐虢M合，因而在非均相催化劑載體、吸附劑、絕緣材料以及電極材料等方面具有重要的應(yīng)用前景。近年來，碳納米管和石墨烯的發(fā)現(xiàn)極大地促進(jìn)了聚合物基碳?xì)饽z的發(fā)展和應(yīng)用。碳納米管和石墨烯氣凝膠都可以通過化學(xué)氣相沉積和分散體系凝膠化的方法來進(jìn)行制備，但是前驅(qū)體昂貴以及合成需要涉及復(fù)雜設(shè)備限制了這些氣凝膠的實(shí)際應(yīng)用。因此，開發(fā)更簡單和經(jīng)濟(jì)的途徑（例如利用碳水化合物、纖維素以及蛋白質(zhì)等可再生資源為原料）來制備納米碳?xì)饽z成為必然的發(fā)展趨勢。

【成果簡介】

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏教授（通訊作者）在Angew. Chem. Int. Ed. 上發(fā)表了題為“Emerging Carbon Nanofiber Aerogels: Chemosynthesis versus Biosynthesis”的綜述文章，集中闡述了新興碳納米纖維氣凝膠的化學(xué)合成與生物合成方法。首先展示了如何通過化學(xué)合成和生物合成的方法來制備碳納米纖維（CNF）氣凝膠，然后討論了兩種制備CNF氣凝膠方法的合成特點(diǎn)，集中在結(jié)構(gòu)和功能的多樣性以及CNF氣凝膠的物理化學(xué)性質(zhì)和潛在應(yīng)用。此外，作者還展示了基于可再生前驅(qū)體的CNF氣凝膠與CNT和石墨烯氣凝膠相比在諸多應(yīng)用中具有競爭優(yōu)勢。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 制備CNF氣凝膠的兩種策略示意圖：化學(xué)合成與生物合成

圖2 CNF氣凝膠的化學(xué)合成

(a) 合成過程的示意圖；

(b) 大尺寸整體濕凝膠的照片；

(c) 具有3D納米纖維網(wǎng)絡(luò)的HTC-CNF氣凝膠的SEM圖像；

(d) 各種直徑的HTC-CNF的SEM圖像；

(e) 在不同溫度下HTC-CNFs直徑與HTC反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系。

圖3 CNF氣凝膠的生物合成

(a) BC的生物來源以及原纖維形成的示意圖；

(b) 在實(shí)驗(yàn)室中由醋桿菌屬細(xì)菌產(chǎn)生的BC薄膜；

(c) 在工廠里工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的BC薄膜；

(d) BC氣凝膠的SEM圖像；

(e) BC-CNF氣凝膠的SEM圖像。

圖4 CNF氣凝膠衍生的納米復(fù)合材料

(a) N和S原子摻雜的BC-CNF氣凝膠的元素面掃描圖；

(b) Fe和N原子摻雜的HTC-CNF氣凝膠的元素面掃描圖；

(c) Ag/HTC-CNFs納米復(fù)合材料的形貌；

(d) MoS₂/HTC-CNFs納米復(fù)合材料的形貌；

(e) MnO/HTC-CNFs納米復(fù)合材料的形貌；

(f) SnO₂/BCCNFs納米復(fù)合材料的形貌；

(g) Mo₂C/N-BC-CNFs納米復(fù)合材料的形貌；

(h) Mo₂Se/BC-CNFs納米復(fù)合材料的形貌。

圖5 CNF 氣凝膠的總結(jié)和展望

【小結(jié)】

在這個(gè)綜述中，作者主要介紹了HTC-CNFs和BC-CNFs兩種新興的CNF氣凝膠，它們可以通過化學(xué)合成和生物合成的策略制備出來，而且兩種合成方法都適用于大規(guī)模CNF氣凝膠的生產(chǎn)。在化學(xué)合成制備的CNF氣凝膠方面，尋找低成本和環(huán)保的模板以取代目前昂貴的TeNWs對于可持續(xù)合成非常重要。而與HTC-CNF的可控化學(xué)合成相比，BC-CNFs氣凝膠的結(jié)構(gòu)參數(shù)更加難以有效控制，這是由于在微生物發(fā)酵過程中對BC微結(jié)構(gòu)的操作是十分有限的。展望未來，作者指出化學(xué)合成與生物合成兩種方法的有機(jī)結(jié)合有望為CNF氣凝膠的研究提供新的機(jī)遇。此外，CNF氣凝膠基功能材料的性能需要通過設(shè)計(jì)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、改變其物理性質(zhì)以及控制合適的成分等來進(jìn)一步提升。