碳气凝胶的制备流程与微观控制及其应用行景概述

信息来源：同济大学物理科学与工程学院教授沈军

气凝胶简介

基于溶胶-凝胶化学基础的结构可控的新型的纳米多孔材料。在Science第250期评为世界10大热门技术之一。
“奇异的特性”在基础与应用研究领域均很受人们关注。被誉为“可以改变世界的新型材料”。
在热学、电学、光学、声学等方面均显示比较特殊的反常特性，因此具有非常广阔的应用前景。

气凝胶类材料的微结构特征

气凝胶微观结构

多级分形纳米多孔网络结构

(骨架尺寸 < 100 nm)

碳气凝胶基本特性

良好的结构可控性
优异的电学、光学、电化学、吸附等特性
使传统气凝胶从电的不良导体扩展到了导体

碳气凝胶是一种典型的具有分级多孔结构的纳米材料，孔洞率可高达90%以上，比表面积可高达2000m2/g以上，导电性能优异，纯度高。通俗讲，它同时拥有活性炭的超大表面积，石墨的优良导电性、结构可控、稳定性好。

碳气凝胶的制备

突出优势：实现用廉价原材料

常压条件制备碳气凝胶材料

典型的碳气凝胶样品

制备流程图

实现微观结构的控制

R/C=1000 RF%=30%

R/C=1000 RF%=40%

R/C=1500 RF%=30%

R/C=1500 RF%=40%

不同RC比和质量百分数的碳气凝胶的SEM

随着R/C比的增大，碳气凝胶的骨架颗粒变大；

M越大，凝胶颗粒堆积越紧密，结构越致密，相应的碳气凝胶的宏观密度也越大。

不同RC比和质量百分数M的碳气凝胶的孔径分布

结构控制关键因素

RC比（RC比：间苯二酚和催化剂的摩尔比）对碳气凝胶微结构的控制作用：微观网络
M值（M值：反应物占总溶液的质量百分数）对碳气凝胶微结构的控制作用：密度
后处理工艺，包括各种活化工艺等

碳气凝胶的应用

1.超级电容器

2.锂离子电池

3.下一代锂离子动力电池

4.储氢

5.超高温隔热

碳气凝胶可用于1500℃以上的超高温绝热，通常在真（太）空条件或者惰性气体保护或者抽真空条件下，也可以在表面沉积纳米氧化物保护层后工作于大气环境。

6.空气净化

碳气凝胶前驱体，含有大量的苯环，经过后续处理得到巨大比表面积和丰富微孔结构的纳米多孔碳材料，对于污染物，尤其是有机物的吸附效果更佳
同时由于材料存在π键，其对于同样存在π键的分子，如苯、甲苯等含苯环物质，能够产生增强吸附作用
上述两种原因的叠加能够使该材料对含苯环物质的吸附效果得到显著的提升

7.水净化

碳气凝胶对有机物有很强的吸附能力，同时吸光性能极佳，从而能够大幅提升光催化效果及材料的使用寿命。

据初步验证碳气凝胶负载光催化材料能将光催化效果提升8倍！

8.油污应急处理

9.催化剂载体

10.制药行业-除焦油、除色素（杂质）

11.除重(贵)金属/贵金属回收

三大新能源场景突破，碳气凝胶的 “用武之地”

1. 储能领域：让锂电池 “更安全、更长寿”

在锂电池领域，“充电速度” 与 “安全性” 始终是核心矛盾。碳气凝胶的高导电性与多孔结构，恰好能破解这一难题 —— 将其作为锂电池负极添加剂，多孔结构可容纳锂离子快速嵌入脱出，提升充电效率；同时，它能缓冲锂枝晶生长，减少电池短路风险。目前，某新能源企业已将碳气凝胶应用于 4680 大圆柱电池，使电池快充时间缩短至 15 分钟，循环寿命提升 30% 以上。

此外，在超级电容器领域，碳气凝胶更是 “天生强者”。凭借高比表面积与优异导电性，它能实现电荷的快速存储与释放，某科研团队开发的碳气凝胶基超级电容器，功率密度可达 10000W/kg，是传统电容器的 5 倍，未来有望应用于新能源汽车的启停系统与能量回收装置。

2. 氢能领域：解决 “储氢难、运氢贵” 痛点

氢能作为零碳能源，储氢技术一直是行业瓶颈。碳气凝胶凭借超大比表面积与可调孔隙结构，成为理想的储氢材料 —— 通过对其表面进行改性，可大幅提升氢气吸附量，在常温常压下就能实现高效储氢。

目前，某高校研发的碳气凝胶储氢材料，储氢密度可达 7.2wt%，远超国际氢能委员会设定的 5.5wt% 目标，且循环使用寿命超 1000 次，为氢能规模化应用提供可能。

3. 新能源汽车：轻量化与热管理 “双升级”

新能源汽车的续航与安全，离不开高效的热管理系统。碳气凝胶不仅密度低（仅为传统隔热材料的 1/10），还具备优异的隔热性能（热导率低至 0.012W/(m・K)），将其应用于电池包隔热层，可在减轻车身重量的同时，有效阻隔电池热失控蔓延。某车企测试数据显示，采用碳气凝胶隔热的电池包，在热失控场景下，可将热扩散时间延长至 60 分钟以上，为乘客逃生争取宝贵时间。

同时，碳气凝胶的轻量化特性也能助力车身减重。将其与复合材料结合制成汽车零部件，可使零部件重量减轻 40%，间接提升新能源汽车续航里程，契合行业 “轻量化” 发展趋势。

未来已来：碳气凝胶的 “升级之路”

尽管碳气凝胶在新能源领域已展现出巨大潜力，但仍面临 “成本高、规模化生产难” 的挑战。不过，随着前驱体材料的优化与制备工艺的革新，这一局面正在改变 —— 目前，行业已开发出以生物质（如秸秆、竹纤维）为原料的碳气凝胶，成本较传统工艺降低 50%；连续化生产设备的落地，也让碳气凝胶的产能从 “公斤级” 迈向 “吨级”。

未来，随着技术的进一步突破，碳气凝胶或许还会在光伏电站隔热、燃料电池质子交换膜等领域开辟新场景。这种 “轻量级” 材料，正以其独特的优势，为新能源发展注入新可能，成为推动能源革命的重要力量。

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碳气凝胶的制备流程与微观控制及其应用行景概述

作者ab, 808

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