生态环境保护：碳气凝胶及其复合材料

碳基材料在能源储存、环境科学和材料化学等领域具有广泛的应用, 数十年来国内外学者开发出了多种多样的新兴碳基材料, 包括生物炭、石墨烯、氧化石墨烯(GO)、碳纳米管、碳纳米纤维、碳球、碳气凝胶、氮掺杂碳和石墨相氮化碳。碳气凝胶(carbon aerogels, CAs)一般是采用有机气凝胶作为前驱体在惰性气体中高温碳化得到的一类新型纳米多孔碳材料, 兼具气凝胶材料和碳基材料的特征。碳气凝胶具有高比表面积、分级多孔结构、高导电性、优良的化学稳定性等优势, 具有极大的应用潜力。

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碳气凝胶材料的制备方法主要有溶胶-凝胶法、水热碳化法、直接碳化法这3 类。碳气凝胶的制备通常包括以下3个步骤: ①前驱体溶胶化, 溶胶发生凝胶化和老化; ②凝胶干燥变成气凝胶; ③气凝胶碳化得到碳气凝胶。

碳气凝胶及其复合材料的制备和环境应用

针对污染物吸附、油水分离和污染物催化降解, 国内外学者设计了一系列基于 碳气凝胶的新型复合材料, 大幅提高了材料性能。

1.吸附去除污染物

1.1吸附去除有机污染物

碳气凝胶及其复合材料具有丰富的多孔结构和高的比表面积, 因而广泛应用于各种类型有机污染物的吸附去除。相比于传统的粉末状吸附材料, 碳气凝胶及其复合材料的体相结构是一个突出优势, 使其回收利用更为方便。

碳气凝胶及其复合材料对污染物的吸附去除

1.2吸附去除无机污染物

碳气凝胶及其复合材料被广泛应用于重金属的吸附去除。在吸附去除废水中无机离子的基础上, 还可以进一 步尝试利用碳气凝胶及其复合材料回收高价值的金属, 实现废弃物的资源化利用。例如, 含碲废物中蕴含着经济价值巨大的碲元素资源, 碳气凝胶材料可以作为功能材料从含碲废物中回收碲资源。

1.3吸附二氧化碳

利用碳气凝胶材料吸收二氧化碳需要引入特定的官能团, 提升材料对二氧化碳的吸收能力。

2.油水分离

超级油轮、钻井和自然灾害造成的石油泄漏是一个世界性难题, 对海洋生态系统和水生生物造成了巨大的危害。具有多孔性、疏水性和亲油性的碳气凝胶材料对油类物质具有很强的吸收能力, 在治理石油泄漏方面展现出了巨大的优势。

利用碳气凝胶复合材料进行油水分离过程示意图

3.催化降解污染物

3.1类芬顿反应

碳气凝胶及其复合材料可以作为光催化、电催化、类芬顿反应的催化剂, 促进有机污染物的催化降解。气凝胶中丰富的多孔结构有助于有机污染物的快速吸附, 从而促进后续的降解过程。碳材料活化过硫酸盐降解有机污染物, 一般是通过非自由基路径进行的。将含铁物种引入到气凝胶材料中不仅有助于加强对 过硫酸盐的活化能力, 还有助于材料的磁回收。在电芬顿反应过程中, Fe2+的再生是决定整体反应效率的核心因素。

3.2光催化

气凝胶材料也被广泛应用于染料的光催化降解和杀菌。例如, 磁性纤维素基@ ZnFe2O4碳气凝胶纳米复合材料通过吸附和光催化的协同作用实现亚甲基蓝的高效降解。

近年来, 国内外学者设计制备了多种多样的碳气凝胶及其复合材料, 在环境保护中展现出独特的优势和广阔的前景。为了进一步开发低成本、高性能的新材料, 促进实际应用, 应将更多的研究力量投入到以下几个方向: 

(1)开发出更高效的功能材料。目前虽然已经设计制备了多种多样的复合材料, 但对于不同材料的复合机制和复合规律还缺乏系统的认识。发展不同类型复合材料的低成本、规模化和可控制备方法, 精准调控不同材料的比例和空间分布, 融合纳米材料的性能优势和体相材料的易回收性, 提高吸附、吸收、催化降解性能以及材料自身的绿色性、稳定性和可循环性仍是今后研究的重点。

(2)目前碳气凝胶及其复合材料的应用仍然集中在水污染和大气污染治理中, 针对土壤污染治理的研究还比较有限。由于土壤环境比水体更复杂, 深入研究碳气凝胶及其复合材料与土壤环境的相互作用, 考察其对土壤微生物的影响也是重要的研究方向。

(3)现有的研究大多数仍然是在实验条件下进行的。进行系统的经济技术分析和环境影响评价是实现大规模应用的前提。

来源：[1]甄梅楠,刘峰,李超,毕涛,唐景春.碳气凝胶及其复合材料的环境应用研究进展[J].中国材料进展,2023,42(01):64-73.