三维碳气凝胶材料的制备与应用研究进展

韩 露，王一帆，崔文琦，魏春艳，周兴海，高 原，吕丽华

大连工业大学纺织与材料工程学院，大连 116034

碳气凝胶(Carbon aerogel)是一种具有三维网络结构的多孔材料.最初由美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)[1]高温裂解苯二酚-甲醛(RF)有机气凝胶制备而成，该碳气凝胶耐热性高达3000 ℃(在惰性和真空气氛中)，由此引发了国内外对碳气凝胶材料研发的新浪潮[2].碳气凝胶具有孔隙率高(80%～99%)、比表面积大、导电性高、化学惰性好、密度低、导热性低等特点，在油水分离、工业废气吸附、污水处理、超级电容器、电磁屏蔽、电催化和锂电池等领域获得了重要应用.

碳气凝胶独特的三维网络结构赋予其许多优异的性能.例如，碳气凝胶独特的三维网络结构和超过90%的高孔隙率赋予该材料优异的吸附能力，在有机溶剂吸附、废水处理和空气过滤领域展示出极大的潜力.碳气凝胶中具有相互连接的纳/微米孔洞，当声音在该结构中传播时，声波会引起孔壁的振动，促进声能转化为热能从而实现耗散，其效果是传统吸波材料的几十倍.碳气凝胶的高比表面积使其能够有效地作为催化剂载体，较传统载体材料其具有选择性可调、负载量高、使用寿命长等特点.此外，碳气凝胶的纳米多孔结构抑制了气体传热、对流传热和固态传热，使其具有极低的导热系数(低至9 mW·m-1·K-1)，比传统隔热材料(30～80 mW·m-1·K-1)和静态空气(25 mW·m-1·K-1)低很多.因此，碳气凝胶隔热材料成为近年来超级绝热材料发展的一个重要方向.

本文结合国内外研究现状，简述了碳气凝胶的分类与特性，归纳了几种常用碳气凝胶的制备方式的优缺点，总结了碳气凝胶材料在吸油、储能、隔热、催化、吸波及光热转化等领域应用的先进性.

1 碳气凝胶的分类

一般据碳气凝胶原料来源的不同，碳气凝胶大致可分为三类，如图1 所示：石墨基碳气凝胶、有机碳气凝胶和杂化碳气凝胶.

图1 碳气凝胶材料的分类及应用领域Fig.1 Classification and application fields of carbon aerogels

1.1 石墨基碳气凝胶

石墨基碳气凝胶一般是通过适当的组装工艺，将石墨碳材料直接组装成三维气凝胶结构，这类碳气凝胶材料具有较高的导电率.典型的材料为石墨烯气凝胶和碳纳米管气凝胶.

1.1.1 石墨烯碳气凝胶

石墨烯是碳原子按正六边形排列并以sp2杂化形成的单原子层二维材料，这些二维石墨烯薄片通过范德华力自组装形成具有三维多孔结构的石墨烯气凝胶(GA)材料[3].由于石墨烯薄片在自组装过程中会发生卷曲折叠，使形成的GA 材料含有大量介孔和大孔，这赋予其高比表面积、高孔隙率的结构特点.此外，GA 材料保留了原始石墨烯优异的物理化学性质，如良好的导电/导热性以及优异的机械强度.这些卓越的特性，使GA 材料在光、热、能源、化工以及生物等领域具有广阔的应用前景[4].Luo 等[5]采用简便的水热自组装方式制备了具有多尺度分层细胞结构的还原氧化石墨烯(rGO)气凝胶.在超高压缩下表现出优异的柔韧性和抗疲劳性：在应变为90%条件下经20000 次压缩循环后，能够保持原始高度的99.9%.此外，该气凝胶材料具有出色的抗压强度：在99%应变下的压缩应力为1.5 MPa，强度与密度之比为177 kPa·cm3·mg-1，克服了一般碳气凝胶材料应力容限低的缺点.

然而，单一组分的GA 材料在应用时具有一定的局限性，性能很难进一步提高，因此研究学者们通过杂化或复合改性手段以拓宽其应用领域.例如用硫、氮、硼和磷等杂原子进行化学掺杂，从而改善石墨烯电子性质和化学性质，使组装成的GA材料具有更高的化学活性[6-8].Zhou 等[9]制备了一种新型的自支撑三维多孔氮掺杂石墨烯气凝胶(NGA)锚定Pt 纳米团簇(Pt/NGA)复合材料.该材料以氧化石墨烯和聚氧丙烯二胺D400 为前驱体，在纯水溶剂中通过自组装工艺制备出随机排列的三维多孔骨架结构.随后，通过电沉积方法将Pt 纳米团簇均匀分散并嵌入到NGA 上.所制备的Pt/NGA复合材料表现出高的氨电氧化活性，其质量比活性为1.77 mA·µg-1，面积比活性为0.64 mA·cm-2.

1.1.2 碳纳米管气凝胶

碳纳米管(CNTs)气凝胶是以碳纳米管为基材，组装形成的密度极小的三维多孔结构材料.CNTs 依据石墨烯片的层数可以分为单壁碳纳米管(SWCNTs)和多壁碳纳米管(MWCNTS).CNTs的纳米尺寸和手性结构使制备出的三维气凝胶材料具有优异的力学和电学性能[10-11]，在光能物理、化学分析电子元器件等领域大放异彩.此外，通过组装工艺形成的CNTs 气凝胶通常具有各向同性的特点，这阻止了CNTs 气凝胶在任何方向上的分裂，从而获得较高的弹性模量和延展性.因此，CNTs被认为是一种制备碳气凝胶重要的原材料.

CNTs 气凝胶的制造工艺一般是将CNTs 分散在有机溶剂中，经适当组装和冷冻干燥过程后形成三维网络气凝胶结构.然而，这样直接组装形成的CNTs 气凝胶存在明显的缺点：如三维框架形成差、机械不稳定和弹性差等缺点[12].因此，可以通过化学键合的方法增强其力学强度：即在CNTs 表面引入官能团并使CNTs 之间建立化学键连接.Zou 等[13]使用聚(3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(PTMSPMA)对MWCNTs 进行功能化处理，随后发生水解和缩合反应，使MWCNTs 之间形成牢固且永久的化学键合.制备出的气凝胶表现出优异的压缩回弹性、超低的密度(4 mg·cm-3)、以及高的电导率(0.67 S·cm-1).

1.2 有机碳气凝胶

有机碳气凝胶是指前驱体材料为有机物，经过高温碳化后有机物转化成碳材料，通过组装工艺最终形成三维多孔结构碳气凝胶.有机碳气凝胶主要可分为生物质碳气凝胶和聚合物基碳气凝胶两大类.

1.2.1 生物质碳气凝胶

生物质材料具有来源广泛、可再生、可分解、环境无污染等特点，是优质的碳气凝胶前驱体材料.富含纤维素的生物质原料经水热或高温碳化处理，再通过合理的组装即可制备碳气凝胶材料[14].该方法制得的碳气凝胶具有优异的疏水性和良好的机械性能，且其制备工艺简单、成本低、无污染[15]，遵循当前绿色化学的潮流.Cao 等[16]以秸秆为原料，采用冰模板法和氢氧化钾活化法制备了具有分级多孔结构的生物质碳气凝胶，该材料具有超低密度(0.038 g·cm-3)、高孔隙率(98.2%)和大比表面积(1531 m2·g-1)等特点.疏水改性后，样品与水的接触角为169.5°，对丙酮和菜籽油的吸附容量可达其自身重量的29 倍和33 倍.Chen 等[17]通过化学处理去除木质素和半纤维素从而破坏了天然木材的薄细胞壁，经高温碳化后制备了由大量片层结构堆叠形成的木材基碳气凝胶材料(WCS).这种片层堆叠结构赋予其优异的压缩回弹性和抗疲劳性.此外，该气凝胶材料作为应变传感器，对电导率变化实现了快速响应的特性.

1.2.2 聚合物基碳气凝胶

聚合物基碳气凝胶可以通过热解有机溶胶或凝胶制备而成.可作为有机碳气凝胶前驱体原料的溶胶凝胶体系主要有间苯二酚/甲醛、三聚氰胺/甲醛、苯酚/甲醛、苯酚/糠醛以及甲酚/甲醛等.在聚合过程中，通过在溶胶凝胶反应体系中添加聚合物、无机盐、陶瓷纳米颗粒等有助于调控碳气凝胶材料的孔结构.Yu 等[18]使用间苯二酚-甲醛(RF)树脂作为碳源，以多种一维纳米纤维作为结构模板，通过高温碳化得到超弹性硬碳气凝胶.该气凝胶具有高的结构稳定性、快的回弹速度(860 mm·s-1)和低能量损耗系数(＜0.16).

此外，聚合物基碳气凝胶也可以通过高温裂解聚合物纤维转化制备.该方法是指将聚合物纤维如海藻酸钠(SA)、聚酰亚胺(PI)、聚丙烯腈(PAN)等经高温碳化转化为碳纤维，再通过组装工艺形成具有三维结构的碳纤维气凝胶[19].高温碳化后碳纤维作为骨架材料，可以避免零维纳米颗粒易团聚、不易回收等问题，并有效防止干燥过程中因毛细张力引起的骨架收缩或孔洞塌陷问题[20].此外，一维的碳纤维骨架可赋予气凝胶材料某些特殊的性能，如优异的柔韧性、良好的导电通路以及进一步的结构可设计性.许文萃等[21]用静电纺丝-液相接收工艺高效制备出蓬松的纳米纤维，经热稳定化和疏水改性处理，最终制备了碳纳米纤维材料气凝胶.作为高效吸油材料，其对油类污染物的吸附量可达自重的185 倍.

1.3 杂化碳气凝胶

杂化碳气凝胶是气凝胶材料发展的一大趋势，它可以实现不同材料之间功能互补的目的.通过引入有机基团或者高分子聚合物，调节控制各组分之间的比例，可以优化单一组分碳气凝胶材料脆性大、易潮解、柔韧性差等问题.Wan 等[22]制备了纤维素纤维/还原氧化石墨烯(CF/RGO)超轻气凝胶杂化材料，其密度低至2.83 mg·cm-3.作为高性能电磁屏蔽材料，CF/RGO 气凝胶的电磁屏蔽效率高达47.8 dB，具有超高的比电磁屏蔽效能(高达33780 dB·cm2·g-1).此外，该气凝胶在应变较大的情况下具有优异的机械回弹性和良好的压缩循环稳定性.Hu 等[23]以芳纶纳米纤维（ANFs）、导电碳纳米管（CNTs）为原料，制备了具有较大的比表面积（232.8 m2·g-1）、高电导率（230 S·m-1）、疏水（接触角高达137.0°）和优异电磁屏蔽（EMI）性能的多功能杂化碳气凝胶.

2 碳气凝胶的制备方法

2.1 溶胶凝胶法

溶胶凝胶法是一种较为常用的碳气凝胶制备工艺，该方法因反应条件温和、操作简单、产品纯度高等特点引起众多研究者的兴趣.并且，该方法制备的碳气凝胶孔径一般分布较窄，孔结构较为有序.溶胶凝胶法一般分为五个步骤：溶胶配制、凝胶老化、溶剂交换、干燥和碳化[24]，如图2(a)所示.

图2 碳气凝胶制备方法原理图.(a)溶胶凝胶法[24]；(b)水热法[32]；(c)化学气相沉积法[36]；(d)冰模板法[40]Fig.2 Schematic of different preparation methods of carbon aerogels: (a) sol-gel method[24];(b) hydrothermal method[32];(c) chemical vapor deposition[36];(d) ice template method[40]

2.1.1 溶胶的配制

溶胶凝胶法制备碳气凝胶材料一般始于有机气凝胶的制备，其原料包含有机前驱体、溶剂和催化剂.最常用的有机前驱体原料是间苯二酚和甲醛[25].通常选用去离子水作为溶剂，间苯二酚和甲醛反应常用的催化剂是碱性碳酸钠催化剂.

2.1.2 凝胶老化

将准备好的溶胶溶液放入密封的模具中，一段时间后会交联形成凝胶.通常，凝胶老化过程受温度和时间的影响.提高温度可以提高凝胶体系的交联度，并缩短老化时间，但反应温度不能超过溶剂的沸点.延长凝胶老化时间也能使交联反应进行地更充分，这能有效提高凝胶网络的骨架强度.

2.1.3 溶剂置换

经老化过程后的凝胶网络缝隙中充满水分，这会使凝胶网络在干燥过程中产生严重的收缩和坍塌，因此需要用有机溶剂(乙醇、环己烷、丙酮)等进行置换.

2.1.4 干燥

凝胶干燥是气凝胶制备的关键步骤，它决定了气凝胶的结构和性能.目前常用的干燥工艺有超临界干燥、冷冻干燥和常压干燥.

(1) 超临界干燥.

超临界干燥是指在合适的压力和温度下，一些物质如CO2会变成超临界流体(介于气体和液体之间)，气体和液体之间没有界面.超临界流体将充当溶剂填充在固体骨架中，从凝胶中缓慢排出时，不会破坏材料的结构，因此超临界干燥是目前最理想、最有效的干燥方法.然而，超临界干燥过程复杂、耗时、成本高[26-27]，使得超临界干燥技术难以实现大规模工业化生产.

(2) 冷冻干燥.

冷冻干燥是一种简单、经济、环保的技术，同时也是制备碳气凝胶材料一种常用的方法，它通过降低气液界面的表面张力，以维持多孔形态.冷冻干燥是先将样品冷冻成固体，然后在真空条件下将溶剂转为气态升华从而得到干凝胶.

(3) 常压干燥.

常压干燥是将湿凝胶在常压环境下进行干燥，从而去除凝胶中的极性或非极性液体.由于其安全性和低成本，常压干燥被认为是大规模生产碳气凝胶的最佳工艺选择[28-29].但是，常压干燥会在固-液-气界面产生严重的毛细张力，导致凝胶骨架收缩，因此制备的碳气凝胶复合材料性能相对较差[30].

2.1.5 碳化

碳化是指将有机气凝胶的高分子基团在惰性环境下发生高温裂解反应，以去除其中的含氧、含氢等官能团.碳化过程中由于小分子气体的逸出，会在气凝胶骨架上产生大量微孔，同时保持了凝胶骨架原始的介孔和大孔，形成具有三维多孔结构的碳气凝胶材料[31].当然，碳化过程中有机气凝胶会发生收缩现象，质量相对减轻，质量损失率约为50%左右.

2.2 水热法

水热法一般是在高温高压反应釜内进行，以去离子水为溶剂，并加入一些交联剂，使含碳前驱体与溶剂液体发生化学反应，通过自组装工艺生成三维多孔碳气凝胶材料[32].该工艺是目前制备还原氧化石墨烯气凝胶材料最广泛使用的方法，其原理如图2(b)所示.还原前，由于存在大量亲水基团和强静电排斥效应，二维石墨烯薄片能够均匀分散在去离子水中.在水热过程中，大多数环氧基、羧基和羟基等含氧官能团被还原，石墨烯薄片变得疏水.随后，残留的亲水含氧基团使还原的石墨烯薄片在自组装过程中封装水.当石墨烯的浓度达到一定阈值时，经过物理或化学交联的作用使石墨烯片随机堆叠形成三维网络结构[33].该方法操作简单、成本较低，并且密闭空间内反应可以避免杂质的引入，易制备出纯度高、形状良好的气凝胶材料，具有广阔的市场前景.Song 等[34]采用水热法成功制备了多功能的Ag/g-C3N4/还原氧化石墨烯三维气凝胶复合材料，该气凝胶表现出优异的表面增强拉曼散射(SERS)活性、高效的吸附性和光催化活性.

2.3 化学气相沉积法

化学气相沉积(Chemical vapor deposition，CVD)是指反应物在气态条件下发生化学反应，在衬底或者催化剂的表面生成固态沉积物，从而制备出所需材料的一种方法[35-36]，原理如图2(c)所示.CVD法也是制备碳气凝胶材料的常用方法，具有以下优点：首先，石墨烯、碳纳米管或其他活性材料可实现快速沉积；其次，CVD 法制备的气凝胶结构更易调控，如制备垂直排列、双连续的中孔及三维交联的多孔结构等.Peña 等[37]以二茂铁同时作为碳前驱体和催化剂，氢气作为还原剂，利用CVD 法制备了碳气凝胶材料，其比表面积高达780 m2·g-1、孔体积约为0.55 cm3·g-1.近年来，一种新型的浮动催化剂化学气相沉积法(FCCVD)被提出用以制备碳气凝胶材料.与传统的CVD 相比，FCCVD 不需要将催化剂预沉积在衬底上，也不需催化剂活化的后续步骤.此外，该方法可实现连续或半连续生产，具有规模化制备碳气凝胶的潜力[38].Abdullah 等[39]采用浮动催化剂化学气相沉积法以二茂铁为催化剂，噻吩混合物为促进剂催化分解甲苯合成CNTs，由于CNTs 含量在FCCVD 系统反应器末端下降，因此利用该梯度差制备了CNTs 气凝胶.此外研究了气流流速对气凝胶质量和产量的影响.结果表明，CNTs 的直径随着H2流量的增加而减小，H2流速为600 cm3·min-1时，CNTs 气凝胶形态较好，产率较高.

2.4 冰模板法

冰模板法也被称为“冷冻浇铸法”，其基本原理是利用冰冻过程中所形成的冰晶作为模板制备多孔材料.如图2(d)所示，当反应原料逐渐冻结时，溶质颗粒开始聚集在生长的冰晶周围，直到样品完全冻结.随后通过升华或解冻去除冰晶，最终的微结构由孔隙形态组成，是原始冰晶的负铸型[40].冰模板法设备要求简单，适用于多种类型的基体材料，并可通过控制悬浮液浓度得到范围较广的孔隙率(30%～99%)[41].此外，溶剂去除过程种不会将杂质引入样品，因此不需要进一步纯化过程，是一种经济有效的生产方法.Wang 等[42]通过冰模板技术合成了定向垂直排列的氧掺杂碳气凝胶材料.作为钠离子电池(SIBs)负极材料，该气凝胶在0.1 C时提供了高达298 mA·h·g-1的可逆容量，并在0.5 C下经过2000 次循环保持了较高的循环效率.

3 应用

3.1 吸油材料

相较传统吸附剂，碳气凝胶材料具有质轻、比表面积大、吸附容量高、解吸简单以及循环稳定性好等优点[43]，因此其在污水处理领域显示出巨大的应用前景.Jiao 等[44]以天然竹纤维为原料，采用热解方法制备了轻质/超疏水碳纤维气凝胶.该气凝胶可以吸附多种有机液体，吸附容量达自身重量的23～51 倍.同时该气凝胶具有良好的循环利用性，经过燃烧、挤压、萃取5 次循环后仍能保持较高的吸附效率.Meng 等[45]利用纳米纤维素合成制备了海绵状碳气凝胶材料，如图3(a)所示.碳化后该气凝胶具有极高的孔隙率(99%)、超低的密度(0.01 g·cm-3)、优异的疏水性能(149°)和可重复使用性(96.84%).

图3 (a)纳米纤维素碳气凝胶的形貌、水接触角与循环吸收性能表征[45]；(b)碳/RuO2 复合气凝胶材料制备原理、及电化学性能表征[49]；(c)碳纤维增强气凝胶制备原理、形貌、力学性能及热导率表征[51]Fig.3 (a) Morphology,water contact angle,and cyclic absorption properties of nanocellulose carbon aerogels[45];(b) preparation principle and electrochemical performance of carbon/RuO2 composite aerogel materials[49];(c) preparation principle,morphology,mechanical properties,and thermal conductivity of carbon-fiber-reinforced aerogels[51]

3.2 超级电容器

碳气凝胶材料保持了碳材料高的导电性，因此其被广泛用作超级电容器电极材料[46].此外，其丰富的孔隙率、高的表面积和三维交联的多孔结构能够有效缩短电子/离子传输路径，进而表现出高的电化学性能[47].Cheng 等[48]对天然棉花进行碳化并用KOH 活化处理，制备了具有高表面积和良好机械柔韧性的碳纤维气凝胶材料.该气凝胶在1 A·g-1时提供了高达283 F·g-1的比电容，并在100 A·g-1的大电流密度下表现出79%的电容保持率.近年来许多研究学者通过在碳气凝胶中添加赝电容金属氧化物材料，进一步提高碳气凝胶材料的电化学性能.Sun 等[49]以可再生天然木棉纤维为原材料，结合NaClO2预处理、CO2活化和RuO2纳米颗粒负载工艺制备了三维微管碳气凝胶/RuO2复合材料(如图3(b)).这种复合材料在电流密度为1 A·g-1时显示出433 F·g-1的比电容，经2000 次循环后电容保持率为91.5%.

3.3 隔热绝热材料

碳气凝胶材料具有优异的热稳定性，在惰性气氛下2800 ℃时仍能保持三维多孔结构[50].而且，碳气凝胶材料丰富的孔结构赋予其超低的导热系数.因此，碳气凝胶被认为是极具潜力的新一代高性能隔热绝热材料.Li 等[51]以酚醛树脂为碳前驱体，采用高沸点醇类为造孔剂并辅以高压固化环境，促使气凝胶网络结构均匀生长，经高温碳化后获得了大尺寸、无裂纹的碳纤维增强气凝胶复合材料(如图3(c)).该气凝胶材料密度为0.6 g·cm-3时，其压缩强度及面内剪切强度可达80 MPa 和20 MPa，且热导率仅为0.32 W·m-1·K-1.厚度为7.5～12.0 mm时，经1800 ℃氧乙炔火焰正面加热900 s，背面温度仅为778～685 ℃，表现出了优异的隔热性能.

3.4 催化剂载体或催化剂

碳气凝胶材料因其比表面积大、电化学性能稳定以及导电性优良等特点，常被用作燃料电池催化剂或催化剂载体材料.传统燃料电池的催化剂大多是由贵金属铂、钌等研磨成粉末，添加粘合剂后涂敷在导电载体上.然而，这种粉末类型的催化剂在反应过程中会发生脱落，易引起电池故障.研究学者通过金属原位掺杂工艺制备金属/碳气凝胶复合材料，实现了电极、导电载体和催化剂三功能于一身，既保证了催化剂正常工作，又确保了电极材料结构的稳定性.Yi 等[52]以ZIF-8 为前驱体，同时加入羧甲基纤维素作为粘结剂，通过冷冻干燥得到一种泡沫状复合材料，经高温碳化获得具有超低密度的ZIF-8 衍生的氮掺杂碳气凝胶材料(图4(a)).该气凝胶表现出高效的氧还原反应活性以及优异的稳定性.与纯ZIF-8 碳化样品相比，半波电位和极限电流密度都得到显著提升.这主要是由于碳气凝胶的多级孔结构加速了电解质及O2与活性中心的接触.

图4 (a) ZIF-8 衍生的碳气凝胶形貌、BET、电催化活性表征[52]；(b)CAs 碳气凝胶形貌、光热转化性能、光-热蒸汽速率表征[57]；(c)MX/rGO 碳气凝形貌、传感性能、循环稳定性表征[58]Fig.4 (a) Morphology,Brunauer-Emmett-Teller analysis,and electrocatalytic activity of ZIF-8-derived carbon aerogel[52];(b) morphology,photothermal conversion performance,and photothermal steam rate of CA carbon aerogel[57];(c) morphology,sensor performance,and cycle stability of MX/rGO carbon aerogel[58]

3.5 吸波材料

高性能的吸波材料需要具有良好的阻抗匹配特性，从而使电磁波能够最大程度进入材料内部实现衰减.碳气凝胶的高孔隙率使得其内部绝大部分为空气，具有较高的阻抗匹配特性.此外，其独特的多孔结构能够使电磁波进行多重反射，有效延长电磁波的传输路径，从而更充分的耗散电磁波.因此，碳气凝胶材料被认为是新一代高性能吸波材料.Zhou 等[53]采用水热法制备了氮掺杂的石墨烯气凝胶.作为吸波材料，其实现了良好的阻抗匹配特性.并且，氮原子掺杂在石墨烯片层引入了大量缺陷，导致更多的界面极化损耗发生，从而提高了吸波性能.氮原子掺杂量(质量分数)为3.6%时，厚度为3.3 mm 的样品在13.10 GHz 实现最佳的电磁波吸收性能，反射损耗RL 为-53.25 dB.

3.6 光热转化

光热转化材料是光热蒸发系统中最重要、最基本的部分.常用的光热转化材料主要有贵金属纳米颗粒、无机半导体(金属氧化物/硫化物)[54]、碳基材料等.碳气凝胶材料[55]以其优异的导热性、导电性、宽的光吸收范围、高比表面积等优点[56]，在光热转化应用中具有良好的前景.Wang 等[57]以间苯二酚/甲醛为原料采用溶胶-凝胶聚合、冷冻干燥和碳化工艺制备了集微孔、介孔和大孔于一身的分级多孔碳气凝胶材料(CAs).其垂直排列的大孔结构有利于水蒸气的运输；介孔结构有利于材料的保温隔热；而微孔结构可以构造小尺寸导体，从而产生强烈的热电子效应，最终提高光热转化效率.该气凝胶材料在1 个太阳光照强度下，实现了87.51%的光热转化效率和1.37 kg·m-2·h-1的水蒸发速率(如图4(b)).

3.7 柔性传感器

碳气凝胶作为传感材料，其高比表面积和相互连通的孔结构可以提供更多的可被功能化的活性位点，加快电子转移，并为目标分析物的吸附和运输提供适宜的通道，从而提供高灵敏度和快速响应的传感特性.此外，具有优异柔韧性和压缩稳定性的碳气凝胶材料，被广泛用作柔性传感器件以及各种智能可穿戴设备中的功能材料.Ma 等[58]利用简单的冰模板法制备了具有压缩稳定性的MXene/还原氧化石墨烯气凝胶复合材料.作为压阻传感器，其展现了极高的灵敏度(22.56 kPa-1)、快速的响应时间(＜ 200 ms)和超过10000 次的循环稳定性(图4(c)).

4 总结与展望

4.1 总结

碳气凝胶作为一种新型轻质多孔材料，具有比表面积高、质量密度低、导电性好、孔结构丰富等特点，在力学、声学、电学及热学等领域展示了广阔的应用前景.依据其制备原料的不同，主要可以分为石墨基碳气凝胶、有机碳气凝胶和杂化碳气凝胶三大类.石墨基碳气凝胶一般是通过适当的组装工艺将石墨碳材料组装成三维气凝胶结构，这类碳气凝胶材料具有较高的导电率.有机碳气凝胶可通过热解聚合物或生物质前驱体材料制的，具有原料来源广泛、环境友好的优势.杂化碳气凝胶一般通过引入有机基团或高分子聚合物，实现不同材料之间的功能互补，从而实现气凝胶材料优异的力学性能.常用的碳气凝胶制备工艺有溶胶凝胶法、水热法、化学气相沉积法、冰模板法.溶胶凝胶法具有反应条件温和、操作简单以及产品纯度高等特点.并且，制备的碳气凝胶孔径一般分布窄，孔结构较为有序.水热法操作简单、成本较低，并且密闭空间内反应可以避免杂质的引入，制备的碳气凝胶纯度高、形状良好.CVD 法制备的气凝胶结构更易调控，如制备垂直排列、双连续的中孔及三维交联的多孔结构，且该法可实现连续或半连续生产，具有规模化制备碳气凝胶的潜力.冰模板法设备要求简单，适用于多种类型的基体材料，并可通过控制悬浮液浓度得到范围较广的孔隙率且制备的样品纯度高.得益于其独特的结构和特性，碳气凝胶材料在吸油、储能、隔热、催化、吸波、光热转化和柔性传感器等领域展示了极大的应用前景.特别地，通过合理调控碳气凝胶材料的孔结构，能够显著提高油吸附量或降低材料的热导率，从而在吸油以及高温隔热领域中展示了显著的优势.

4.2 展望

尽管近年来碳气凝胶的研究取得了很大的进展，但在工业化大规模生产和实际应用过程中还面临诸多挑战.例如，传统碳气凝胶材料存在原料成本高、制备工艺复杂、生产周期长及力学性能差等缺点.在实际应用中，受到拉伸、弯曲和挤压作用时，其会出现断裂甚至结构坍塌等现象，这极大限制了其商业化应用进程.对此，我们对碳气凝胶未来的发展趋势和方向进行了展望，主要包括：

（1）开发低成本、可再生、可生物降解、环境友好的前驱体材料；

（2）优化碳气凝胶制备工艺，缩短生产周期，从而实现结构稳定、性能优良的碳气凝胶产业化生产；

（3）进一步提升碳气凝胶材料的性能，拓宽其高端应用领域，推动该材料市场化.