Phenolic Polymer‐Derived Carbon Aerogels　中国科大三维模板法制备宏观尺度树脂基碳气凝胶

What is it about?

我们探索了超盐环境下如何直接制备树脂基碳气凝胶的新途径，并研究碳气凝胶的性能以及在环境处理等领域的应用。以往大多数碳气凝胶都是由多孔有机前驱体气凝胶碳化而成，几乎所有这些有机前驱体凝胶在干燥过程中都不能承受与液体表面张力有关的毛细作用力。 因此，为了避免纳米孔道的塌陷，就必须需要采用特殊的干燥方法，如超临界CO2干燥和冷冻干燥。耗时的干燥工艺和严格的干燥条件（特别是CO2干燥）是这些制备方法的致命缺点，因而限制了其广泛应用。 因此，要实现碳气凝胶的实际应用，关键在于开发廉价、简便的宏量制备方法。

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Photo by Armando Ascorve Morales on Unsplash

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Why is it important?

为实现这一目标，研究人员开发了盐作为三维硬模板直接制备酚醛碳气凝胶的方法，发现超盐环境（高浓度ZnCl2）下聚合的树脂由红色密实固体变成了多孔的黑色块状物体，说明超盐环境改变了树脂的介观结构；由于ZnCl2的强吸水特性，树脂的脱水程度大幅度提升，一定程度上促进了树脂的碳化，因此呈现黑色。所得的黑色块可以直接干燥或者常压自然干燥，并不会导致结构的塌缩。由于ZnCl2同时具有发泡作用，黑色硬块进行高温碳化后，可以直接发泡得到多孔碳气凝胶（图3）。碳化过程中，ZnCl2起到脱水剂、催化剂、发泡剂和造孔剂的作用。高温下，ZnCl2的脱水作用促进聚合物脱水碳化，产生大量水蒸气和Zn蒸汽使树脂发泡膨胀，降低密度产生孔洞，Zn挥发后也残留下纳米孔洞，所得的碳气凝胶具有非常高的比表面积（~1340m2/g），结构非常稳定，能耐受极性和非极性溶剂的表面张力。ZnCl2盐起到至关重要的作用，气凝胶的微观形貌、孔洞均取决于ZnCl2盐模板的含量。该方法提供了一种简单直接的制备碳气凝胶的新思路，从单体直接在超盐环境下聚合、碳化制备碳气凝胶从而绕过了有机气凝胶的制备步骤，整个过程只需自然干燥即可。所得的多孔碳气凝胶由于其优异的机械稳定性和耐溶剂型，在环境处理等领域有着潜在的应用。该气凝胶最多能吸附自身重量60倍的有机溶剂，并且可以通过蒸馏等方法回收溶剂，其强健稳定的结构保证了气凝胶抵御溶剂表面张力的能力，经过多次吸收-蒸馏循环后体积维持不变，吸收能力没有明显的下降。该工作被选为热点论文和后封面论文发表在Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 14623–14627上。

Perspectives