酚醛基炭气凝胶的研究进展

周亚兰，闫雯，罗路，范毜仔，杜官本，赵伟刚

（1 福建农林大学材料工程学院，福建 福州 350002；2 西南林业大学材料料学与工程学院，云南 昆明 650224）

炭气凝胶是一种由球形纳米级颗粒聚集而成的多孔结构的纳米材料，也是目前合成材料中密度最小的材料之一。酚醛树脂基炭气凝胶指的是由原料基于酚羟基邻对位的活泼氢和醛基的反应所制备的气凝胶材料。最早的报道是美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室Pekala在碱性条件下以间苯二酚和甲醛为原料，经溶胶-凝胶过程和超临界干燥方法制备的有机气凝胶（RF），再经炭化得到炭气凝胶。炭气凝胶的骨架粒子大小一般在2～100nm，纳米级颗粒相互连接会形成三维空间网络结构，在颗粒的内部、颗粒和颗粒的连接处以及颗粒的表面均含有一定量的微孔；颗粒之间也会相互交联，形成“珠链状”堆积，空间堆积交联聚合从而形成丰富的中孔以及大孔，因此最终形成的炭气凝胶材料具有孔隙率高、比表面积大和密度小等优点。同时其良好的成型效果和导电性，使得炭气凝胶在作为吸附材料、导电材料、催化剂载体、储氢材料等众多高值化应用领域均表现出极大的潜力。

虽然炭气凝胶优点众多，但是其制备工艺复杂、生产周期较长，工业化生产难度较大，而且其制备原料昂贵并会造成环境污染，所以需要不断寻找价格低廉、绿色可再生的替代原料。与此同时，也需要对其制备方法进行革新以降低生产成本并提高其性能。随着研究的不断深入，炭气凝胶的制备原料逐步从间苯二酚向价格低廉的苯酚，再向更加低成本、可再生的生物质材料发展。炭气凝胶的干燥方法也由传统的超临界干燥向更加节能高效的冷冻干燥和常压干燥方向发展。本文旨在综述不同原料的酚醛基炭气凝胶的制备方法和工艺，总结酚醛基炭气凝胶作为吸附材料以及在电化学储能以及其他领域的应用研究，并分析酚醛基炭气凝胶材料将面临的机遇与挑战。

1 酚醛基炭气凝胶的制备

酚醛树脂作为酚醛基炭气凝胶的原料，其是由酚类化合物（间苯二酚、苯酚、二甲酚、对苯二酚、腰果酚等）和醛类化合物（甲醛、糠醛、多聚甲醛、乙醛等）在酸性或者碱性条件下，通过适当的加成和缩聚反应得到的一类聚合物树脂的统称。按照分子结构和受热后性能的不同，分为分子量较低、空间结构线型的热塑性酚醛树脂（novellas）和受热后自固化、空间呈现网状交联结构的热固性酚醛树脂（resoles）两大类。一般情况下，在酸性催化剂作用下，酚过量（甲醛与三官能度或者双官能度的酚）时可以缩聚生成线型的热塑性树脂，其特征是仅含少量的交联结构，相对分子量较低，一般在200～1300 之间，平均500 左右，同时酚基与亚甲基连接，不带羟甲基。而更为常见的是，在碱性催化剂作用下，酚和醛（一般醛过量）可以生成体型的热固性树脂，对于用作炭气凝胶材料制备的原料一般为甲阶酚醛树脂，其特征是平均分子量较低，在500～600 之间，平均聚合度4～5，分子以线型结构为主，是支链非常少的低分子混合物，含有游离的羟甲基，可溶于碱水溶液、乙醇和丙酮等溶剂。以上两种酚醛树脂均可用来制备气凝胶，但是线型的热塑性树脂是聚亚甲基酚，自身无法进行交联固化，需要加入固化剂，一般为六亚甲基四胺与酚基上未反应的对位活泼氢反应，进一步聚合交联，最终变成三向网状结构的固化树脂。而热固性酚醛树脂可以自固化，不需要额外加入固化剂，羟甲基的不断缩聚、交联最终形成网状结构，使得在溶胶-凝胶时胶体颗粒继续增长、聚集、交联成高分子链。当然除了采用以上两种合成的酚醛树脂为原料并将其稀释再进行溶胶-凝胶之外，也可以采用一步法直接将原料（酚类、醛类、催化剂等）进行混合并稀释，调整合适的工艺参数进行溶胶-凝胶化过程。目前而言，酚醛基炭气凝胶按原料来源主要分为间苯二酚基炭气凝胶、苯酚基炭气凝胶和单宁/木质素基炭气凝胶三大类。尽管原料不同，但其制备过程均包括以下三个主要步骤：首先采用溶胶-凝胶法制备湿凝胶；进而对湿凝胶进行溶剂置换和干燥处理得到有机气凝胶；最后将有机气凝胶进行炭化处理得到炭气凝胶，具体制备流程如图1所示。

图1 酚醛基炭气凝胶的制备流程示意图

1.1 溶胶-凝胶反应

溶胶-凝胶过程通过3 个步骤将原料转变为连续且无序的网状结构，首先原料在催化剂的作用下发生水解和缩合反应形成低聚态聚合物（oligomer），之后多官能团的低聚态聚合物不断聚合交联形成微小粒子，期间单体聚合仍在不断进行，最后这些粒子不断增长、聚集、交联、合并形成稳定的溶胶凝胶体系。至此所形成的凝胶还不能直接用于后续的干燥阶段，需先经老化处理，即在液态环境下发生粗化、缩聚、聚联成链状的三维网络结构，从而进一步改善其强度，减少在后续干燥过程中的收缩，甚至坍塌破坏。溶胶-凝胶过程中的反应参数如反应物浓度、比例、催化剂用量、pH、反应温度等均会对凝胶产生影响，从而最终影响炭气凝胶的孔隙结构和物化性能。孙超用廉价易得的线型酚醛树脂为原料，六亚甲基四胺为固化剂，无水乙醇为溶剂，通过溶胶-凝胶法制备有机气凝胶并对其制备工艺进行了系统的研究。目前报道的溶胶凝胶过程一般以碱性催化剂最为常见，而且其种类和加量对产品的影响也非常显著。De Horikawa 等在微碱性条件下以间苯二酚和甲醛为原料进行溶胶-凝胶反应并得到网状的炭气凝胶材料，发现可以通过改变催化剂种类和添加比例来调节和控制炭气凝胶的孔隙结构。本文作者课题组以苯酚和甲醛为主要原料在碱性条件下合成了网状空间结构的酚醛树脂基炭气凝胶，并对其制备工艺进行了研究，结果表明，反应物浓度越小，则产物密度越小，但是浓度过小会导致最终产物的力学性能降低。本文作者课题组还对催化剂加量、pH、反应温度等作了系统研究，确定了适宜的pH范围为10～11，反应温度为80～85℃。

但是，也有研究发现，酸催化剂也会对气凝胶产生一定的影响。Mulik 等以盐酸催化代替碱催化制备了间苯二酚-甲醛气凝胶，结果表明，其在室温下约2h或在80℃条件下10min内即可完成凝胶化过程。可见，相比于传统的碱催化长达约一周的凝胶过程，酸催化剂可大大缩短凝胶化时间，而且得到的气凝胶在化学性质上差别不大，这一发现为酚醛树脂基气凝胶的研究提供了一个新的方向。

1.2 干燥

经溶胶-凝胶得到的湿凝胶再经干燥即可得到有机气凝胶，但是在干燥之前，首先需经过溶剂置换过程。干燥的目的是除去凝胶中经置换而存在的大量溶剂，从而得到超低密度的有机气凝胶材料。目前，干燥方法主要包括超临界干燥、冷冻干燥和常压干燥三种，其中超临界干燥方法的应用时间最早，其特点是通过压力和温度的控制，将超临界流体直接转化为气体（如图2、图3所示）。由于避免了毛细管力的作用，超临界干燥得到的气凝胶结构最为完整，体积收缩最小，是目前应用最为广泛的干燥方法，见表1。但是其操作比较繁琐、周期较长、成本高，而且高压环境也存在一定的安全隐患。Szczurek等以不同的稀释比例制备了间苯二酚-甲醛树脂基水凝胶，经丙酮或乙醇置换，随后使用超临界丙酮或超临界乙醇进行干燥，得到结构良好的有机气凝胶，同时发现使用超临界乙醇干燥得到的气凝胶比使用超临界丙酮干燥得到的气凝胶表现出更高的收缩率和堆积密度。常压干燥即直接在环境压力下进行干燥，具有易操作和时间短等优点。Léonard 等将水凝胶直接置于鼓风式干燥箱中进行常压干燥，温度70℃时，时间仅需4～5h，但是孔内液体蒸发时表面张力较大，从而易导致干燥过程中孔结构的坍塌，体积收缩非常显著，所得到的炭气凝胶密度也相对非常大，见表1。有研究证明，通过加入表面活性剂可以降低液体的表面张力，从而一定程度上减小毛细应力，并最终改善常压干燥的效果。最后一种方法，即冷冻干燥，是先将凝胶冷冻，再进行升华干燥，这也有助于消除大部分的毛细管力。冷冻干燥可以获得结构完整的气凝胶，且密度范围和孔隙结构均较好，但干燥过程中可能会有冰晶的形成，从而对凝胶网络造成破坏，影响孔隙结构的均匀性。

图2 纯化合物的典型相图

图3 气凝胶不同的干燥方法[19]

表1 不同原料的酚醛基炭气凝胶的比较

相比之下，常压干燥由于产品性能最差，所以研究和应用均较少。而相较于传统的超临界干燥，冷冻干燥具有成本低、操作简单、周期短等优势，同时产品性能与常压干燥相比也有大幅度提升，将是以后干燥工艺研究的重要方向。Job 等研究了不同干燥方法对间苯二酚-甲醛基气凝胶孔隙结构的影响，研究表明，通过超临界干燥获得的样品孔隙结构完整，体积收缩最小；通过工艺调整，常压干燥虽然也可以保证孔结构的完整，但是样品收缩严重，密度极大；冷冻干燥则介于超临界和常压干燥之间，但是要避免在高稀释率条件下存在的冰晶生长所导致的产品中巨大通道的出现，所以对冷冻干燥的工艺研究和优化至关重要。可见，以上三种干燥方法各有利弊，可以根据不同的应用需求来选择最适宜的干燥方法。本文作者课题组使用低成本的冷冻干燥代替传统的超临界干燥方法，以甲基酚醛树脂为原料，制备了酚醛树脂基炭气凝胶材料，结果表明，通过冷冻干燥可以得到成型良好的有机气凝胶和炭气凝胶，未见冰晶的形成，炭气凝胶密度可低至0.1g/cm，抗压强度可高达0.3MPa。

1.3 炭化

炭化是制备炭气凝胶的最后一个步骤，在炭化过程中，随着热解的进行，孔结构收缩，中孔与微孔的比例显著增加，从而导致炭气凝胶材料的比表面积大幅增大。不同的工艺条件，如炭化温度、升温速率、炭化时间、惰性气体等的改变均会导致气凝胶的性质发生变化，尤其是孔隙结构。Shen等研究了炭化温度对炭气凝胶的影响，发现当炭化温度高于600℃时，炭气凝胶的比表面积随着炭化温度的升高而略有减小，而当炭化温度低于600℃时，比表面积随着炭化温度的升高而增大。Liu 等发现炭气凝胶的比表面积和孔体积均随着炭化温度升高先增大而后减小，当炭化温度为800℃时，比表面积和孔体积达到最大值。Wang等以间苯二酚、间苯三酚和甲醛为原料成功制备炭气凝胶并发现，炭化温度为900℃时，材料比表面积最大，同时XRD 结果显示气凝胶的石墨化程度随着炭化温度的升高而升高。可见，通过控制炭化条件可以对炭气凝胶的孔隙结构和石墨化程度进行有效调控。目前对于整个炭化工艺的研究还不够系统，比如还未见关于升温速率、惰性气体种类和流量，以及炭化时间等的具体研究。

2 酚醛基炭气凝胶的分类

2.1 间苯二酚基炭气凝胶

间苯二酚基炭气凝胶是最早也是最传统的酚醛树脂基气凝胶，见表1。首先间苯二酚在催化剂的作用下和甲醛发生加成反应形成羟甲基衍生物，羟甲基衍生物再进行缩聚反应形成亚甲基键或亚甲基醚键连接的化合物，最后再进一步缩合成网络状聚合物，其反应机理如图4所示。

图4 间苯二酚-甲醛基炭气凝胶形成机理

Kocklenberg等以间苯二酚和甲醛为原料合成出含羟甲基的线性酚醛树脂，将其稀释并于70℃条件下进行凝胶老化，而后通过冷冻干燥得到整体结构良好的气凝胶，同时发现反应物比例、稀释比和老化时间对气凝胶孔隙结构均有影响显著。Job等采用常压干燥方法，研究了合成温度和催化剂比例对间苯二酚-甲醛基气凝胶的影响，发现提高凝胶温度可以缩短合成时间，而气凝胶的孔径大小会随着催化剂的减少而减小。Alonso-Buenaposada等通过微波加热合成了间苯二酚-甲醛基气凝胶并研究了酸性催化剂对其孔隙率的影响，发现酸性催化剂可以加快反应速率，缩短合成时间，增大材料孔径大小。Wu等通过间苯二酚-糠醛在碱性条件下缩聚形成网状结构，采用乙醇超临界干燥制得气凝胶，研究了溶液浓度、间苯二酚与氢氧化钠的摩尔比、间苯二酚与糠醛的摩尔比等制备条件对凝胶时间和堆积密度的影响。研究发现，催化剂含量降低可以增加气凝胶的粒径，而糠醛含量增加可以提高材料的交联密度，减小干燥收缩率。总的来说，间苯二酚基炭气凝胶虽然已技术成熟并得到了较为广泛的应用，但是间苯二酚作为原材料价格昂贵，工业化生产相对受限。

2.2 苯酚基炭气凝胶

与间苯二酚相比，苯酚相对廉价易得，可较大程度降低原料成本。苯酚与甲醛的反应机理与间苯二酚相似，即首先生成羟甲基衍生物，再进行缩聚反应形成凝胶网络，如图5 所示。Mukai 等采用冷冻干燥并使用廉价的苯酚来替代间苯二酚合成气凝胶。测试发现，使用苯酚和间苯二酚为原料制备的气凝胶差异不大，均具有独特的中孔结构。Wu等也以苯酚与甲醛为原料，辅以氢氧化钠作为催化剂进行溶胶-凝胶聚合，并采用了乙醇超临界干燥方法，研究了苯酚与氢氧化钠的摩尔比、苯酚与甲醛的摩尔比、凝胶化温度等制备条件对气凝胶凝胶化时间、堆积密度和物理化学结构的影响，其比表面积和中孔体积可分别达到714m/g和1.84cm/g。

图5 苯酚-甲醛基炭气凝胶形成机理

也有研究发现，通过表面化学改性，比如说杂原子氮掺杂可以改善炭气凝胶的性能。Long等通过苯酚、三聚氰胺和甲醛进行溶胶-凝胶聚合，再进行超临界干燥和炭化处理，发现通过改变原料摩尔比可以调控炭气凝胶的孔径分布和平均中孔直径。易东等通过超临界干燥方法制备了具有典型三维网络骨架结构的介孔炭气凝胶，其骨架由大量纳米级颗粒组成，比表面积可达383m/g，孔径分布主要集中在19nm 左右。本文作者课题组分别以尿素和三聚氰胺为氮源，辅以苯酚和甲醛作为原料成功制备出杂原子掺杂酚醛基炭气凝胶材料，同时采用了低成本的冷冻干燥技术，使得产品成本大幅度降低，同时力学性能和吸附性能也有较大提升，抗压强度可达0.67MPa，而0℃和10Pa 条件下CO吸附量可达5.8mmol/g。

2.3 单宁/木质素基炭气凝胶

单宁和木质素的结构都是酚类物质，首先通过加成反应生成含羟甲基的低分子混合物，然后进一步发生缩聚和交联反应，所以它们与醛的反应性和凝胶化过程都与间苯二酚或苯酚类似。

木质素的化学结构虽然复杂，但基本结构单元是苯丙烷。苯丙烷有三种基本结构，分别是愈创木基结构、紫丁香基结构和对羟苯基结构，如图6所示。木质素基炭气凝胶主要是基于木质素和甲醛之间发生的羟甲基化反应，再进一步缩合形成含有亚甲基和醚键的聚合物。Grishechko 等使用木质素和苯酚作为原料来替代间苯二酚制备气凝胶，木质素的占比高达80%，成本降低显著。羿颖等以木质素和纤维素为原料，采用真空冷冻干燥法制备木质素/纤维素复合气凝胶，其平均孔径约15nm；随着木质素含量的增加，样品的比表面积与孔容均呈下降趋势；作为亚甲基蓝吸附剂，饱和吸附容量可达200mg/g，效果良好。

图6 木质素的基本结构

单宁可分为水解类单宁和凝缩类单宁两大类。凝缩类单宁主要由黄烷-3-醇单体构成的黄酮类化合物组成，其化学结构如图7所示。凝缩类单宁由于反应活性高、价格较低，所以适宜于作为黏合剂、树脂和凝胶材料的制备原料。单宁基气凝胶的反应正是基于凝缩单宁的类黄酮单元与甲醛的聚合反应，主要的交联反应是形成亚甲基桥（—CH—）和不稳定的亚甲基醚桥（—CHOCH—），反应机理如图8所示。目前用来合成气凝胶的单宁主要有荆树皮单宁、含羞草单宁以及坚木单宁等。Amaral-Labat 等以荆树皮单宁和甲醛反应生成含有支链的线型的酚醛树脂，通过加入表面活性剂在不同pH 下凝胶化，再经亚临界干燥得到多孔气凝胶，具有廉价、可再生、资源丰富和制备简单等优点。Szczurek 等以含羞草单宁与甲醛聚合得到有机气凝胶，再用超临界丙酮干燥并在900℃下热解得到炭气凝胶，其总孔体积和微孔孔径分布与间苯二酚基炭气凝胶相似。Szczurek 等还以含羞草单宁代替了2/3 质量的间苯二酚和甲醛制备气凝胶，研究发现所得到的炭气凝胶以中孔和微孔为主，孔径分布随着酸碱度的增加而逐渐向更窄的孔移动。Rey-Raap 等使用荆树皮单宁来代替间苯二酚，再和甲醛反应合成炭气凝胶，研究了表面活性剂对其材料化学组成和孔隙结构的影响。结果发现，单宁基炭气凝胶材料比传统的间苯二酚基气凝胶成本更低，也更加的环保和“绿色”。因此，以单宁或者木质素为原料也可以成功制备性能良好的气凝胶材料，见表1。需要强调的是，采用单宁或者木质素等生物质材料作为原料，不仅可以大幅度降低成本，而且原料对环境无害，可再生，是一种理想的气凝胶制备原料。

图7 凝缩类单宁的化学结构[44]

图8 凝缩单宁单体与甲醛的反应机理[39]

3 酚醛基炭气凝胶的应用

酚醛基炭气凝胶作为一种多孔结构的纳米功能材料，同时兼有炭素材料和气凝胶材料的优异性能。随着生产技术的不断发展，生产成本的进一步降低以及认识的逐步深入，酚醛基炭气凝胶材料的应用也必将变得更加广泛。

3.1 吸附材料

近年来，随着工业的持续发展，化石燃料的使用导致废气[如二氧化碳（CO）、甲烷（CH）、氮氧化物（NO）、硫化氢（HS）等]大量排放，引起了人们的广泛关注。此外，石油和化学品泄漏、有机染料、重金属离子的排放等也造成了严重的水体污染，也是亟待解决的重大环境问题。炭气凝胶由于具有独特的三维网络结构和可控的孔隙结构，在气体吸附、离子吸附、有机溶剂吸附等领域具有极大的应用潜力。具体而言，炭气凝胶的孔隙发达，不仅表现在含有大量微孔，可以有效吸附小分子的气相物质，而且由于气凝胶孔隙之间相互连接也导致介孔的大量存在。这一方面可以进一步提高气相小分子的吸附速率，另一方面也使得其对于大分子的液相吸附表现出良好的吸附效果。

以CO吸附为例，Guarín-Romero等以间苯二酚和甲醛为前体合成了气凝胶，在30℃和5MPa 条件下，其CO和CH的吸附量分别为12.6mmol/g 和6.0mmol/g。Robertson 等通过常压干燥合成炭气凝胶并采用KOH 对其进一步进行活化，炭气凝胶的比表面积和孔体积分别为508m/g 和0.68cm/g，25℃时CO的吸附量为2.7～3.0mmol/g。Moon 等也采用KOH 作为活化剂，通过软模板法合成了炭气凝胶。结果表明，活化温度对材料比表面积和孔径分布具有重要影响，同时炭气凝胶的CO吸附能力主要取决于其超微孔径的分布。Ello 等以尿素为氮源，合成了氮掺杂间苯二酚-甲醛基炭气凝胶。研究发现，CO吸附量由样品中微孔含量和杂原子氮元素含量共同决定，25℃和0℃条件下的吸附量分别为3.6mmol/g和4.5mmol/g。Liu等在不同的炭化温度下合成了炭气凝胶，发现炭气凝胶的比表面积和孔体积受炭化温度的影响显著，同时CO的吸附性能与炭气凝胶的孔隙和表面性质密切相关。本文作者课题组以杂原子掺杂的酚醛基炭气凝胶材料（见图9）分别作为CO和H的吸附材料，同时研究了其电化学性能，发现杂原子的引入对于吸附和电化学性能的改善作用明显，其最大比表面积可达1710m/g，而CO在0℃和25℃的吸附量可分别达5.8mmol/g 和4.5mmol/g，远高于大部分酚醛基炭气凝胶材料；同时对其循环使用次数进行了研究，发现经过12 次循环吸附和解吸之后，吸附量还能维持其原始吸附量的98%，重复性能良好。Carrott 等也评估了炭气凝胶作为吸附剂的稳定性，在25℃条件下对其进行了多次吸附/解吸循环发现，经过6 次循环后的CO吸附量基本不变，证实了炭气凝胶作为CO吸附材料的稳定性良好，可重复利用。为了更好地说明酚醛树脂基炭气凝胶与其他纳米炭材料作为CO吸附剂的性能差异，表2比较了不同的纳米炭材料的CO吸附量大小。由表2 可知，以酚醛树脂基炭气凝胶材料作为CO吸附剂，其具有同等甚至更好的吸附效果。尤其是具有杂原子掺杂的酚醛树脂基炭气凝胶，其CO吸附量明显较高。故而，对酚醛树脂基炭气凝胶材料进行化学改性将是其作为吸附材料研究的重要方向之一，同时金属掺杂以及炭气凝胶复合材料的制备研究也将是其发展的方向。此外，酚醛树脂基炭气凝胶良好的气相吸附性能也使其成为一种极具潜力的储氢材料，Srivastava等采用常压干燥制备间苯二酚甲醛基炭气凝胶，其在-196℃和3MPa 的条件下的吸附储氢量可达4.8%。

表2 酚醛基炭气凝胶和其他炭材料的CO2吸附量的比较

图9 苯酚-三聚氰胺-甲醛制备氮掺杂酚醛基炭气凝胶材料[16]

在液相吸附，尤其是在水体污染处理中，炭气凝胶也表现出优异的吸附性能。Alvares Rodrigues等通过荆树皮单宁与甲醛进行缩聚反应制备气凝胶，发现其对铬的吸附效果良好。Malaika 等首先以间苯二酚-甲醛制备炭气凝胶，进而以稀硝酸水热法或者热改性法等对炭气凝胶的表面进行化学改性。研究发现，炭气凝胶的吸附和催化性能强烈依赖于其表面的化学结构；对苯酚的吸附在碱性表面（主要在季氮存在下）条件下较为有利，在羧基存在条件下受阻；表面含有季氮和中性含氧基团的炭气凝胶对于苯酚的去除率可以达到60%。

3.2 电化学领域

炭气凝胶是唯一具有导电性能的气凝胶材料，同时具有高比表面积、高孔隙率、低密度、良好的稳定性和结构可调等优异性能，是制备电化学储能器件的理想材料。炭气凝胶的孔径分布较宽，含有大量的微孔及中孔和大孔。微孔的存在使其具有较大的比表面积，这为高比电容提供了较好的结构基础；同时大量介孔和大孔的存在则更有利于电解质离子的扩散，从而有效提高充放电效率。Mezzavilla 等以常压干燥合成了间苯二酚-甲醛炭气凝胶，其单电极比电容可达100F/g，能量密度可达3.1Wh/kg。Kalijadis 等以间苯二酚和甲醛为原料，以三聚氰胺为氮源，合成了氮掺杂的间苯二酚-甲醛气凝胶，发现杂原子掺杂对于炭气凝胶的电化学性能影响显著，5mV/s 时，其比电容可达130.2F/g。

生物质基炭气凝胶也具有良好的电化学性能，Zapata-Benabithe 等以木质素部分取代间苯二酚制备气凝胶作为超级电容器电极材料，其比电容值在138～234F/g 之间。Amaral-Labat 等以含羞草单宁和甲醛为原料制备了气凝胶，发现当pH 高于6时，炭气凝胶表现出最佳的比电容（100F/g）。因此，采用生物质材料合成气凝胶，不仅原料绿色环保，而且可以显著降低产品成本，最重要的是所制备的气凝胶产品性能优越，应用前景广泛。

3.3 其他领域

炭气凝胶由于其孔隙结构易于调控，且易于进行表面化学和掺杂改性，可以作为高效催化剂载体。此外，炭气凝胶还可以应用于力学、声学、保温隔热材料等领域。Long 等以苯酚、三聚氰胺和甲醛为原料制备了炭气凝胶，经碳酸钠浸渍后，将其作为HS 低温氧化元素硫的新型催化剂，其催化性能是市售催化剂的4～7倍，说明炭气凝胶负载催化剂的开发和应用前景很大，具有潜在的经济和环境优势。而由生物质材料合成的炭气凝胶也具有高效的催化性能，Mohammad Zainol 等通过酸催化的溶胶-凝胶缩聚合成了木质素基炭气凝胶，将其作为超强酸固体催化剂，效果良好。

4 结语

酚醛基炭气凝胶作为传统的炭材料之一，基于其孔隙率高、比表面积大、密度小等优点，不仅作为气相和液相吸附材料表现出较大的吸附量，具有极大的优势和发展前景，同时还因具有高电导率、低电阻系数、可多次循环等良好的电化学性能，使其成为高效的新型储能材料。另外酚醛基炭气凝胶还在催化剂、力学、声学、保温隔热材料等领域具有很大的应用潜力。酚醛基炭气凝胶的制备原料呈现了从间苯二酚向廉价的苯酚，进而再向可再生、低成本的生物质材料单宁/木质素等的转化。生物质原料来源广泛，而且绿色环保无污染，是最为丰富的碳源，用生物质材料来制备炭气凝胶是一种新型、可持续的制备和利用方式，所以还需要不断地进行新原料的开发利用。另外，气凝胶的制备过程较为复杂，受溶胶-凝胶、溶剂置换和干燥、炭化等非常多因素的影响，其中每一个因素又包含多个影响因子，所以对其制备工艺的系统研究，尤其是针对不同原料的制备工艺的系统研究和优化还需进一步加强。

总体来说，酚醛基炭气凝胶材料虽然优点突出，性能优异，但是其力学性能、吸附能力以及稳定性方面还有待进一步地提高，要实现工业化生产和实际应用也还面临着诸多挑战。基于此，本文提出以下几点建议。

（1）研究优化炭气凝胶的制备方法和工艺。以应用为目的，针对不同的应用领域，不断调整优化反应条件，从而达到缩短反应时间，降低生产成本并最终获得孔隙结构良好的炭气凝胶材料。

（2）研究探索新型的酚醛基炭气凝胶制备原料。生物质材料众多，不断寻找新的含有酚类结构的生物质材料，不仅可以降低原料成本，提高生物质资源的利用率，而且最终产品也将更加绿色、环保、可再生。

（3）积极探索开发新型炭气凝胶复合材料。这不仅体现在传统的表面化学改性、杂原子掺杂、金属掺杂等方面，而且也表现在与其他新型材料，如纳米纤维素、氧化石墨烯、碳纳米管、MXene等新型纳米材料的复合领域，从而改善和提高酚醛基炭气凝胶的性能，不断扩宽其应用领域。