貌似弱不经风，碳气凝胶本领高强

碳气凝胶历史

碳气凝胶最早是由美国罗伦斯国家实验室的 pekala等在1989年制得，他们以间苯二酚和甲醛 为 原 料，通 过 溶 胶－凝胶法合成并进一步 炭化制得具有三维网络结构的 ＲＦ 碳 气 凝 胶。作为一种 新 型 气 凝 胶，与传统的二氧化硅气凝 胶相比，碳气凝胶具有更加显著的性能，即孔隙率更高、网络 胶体颗粒直径更小、比表面积更大和高温热导率更低等，这 也让碳气凝胶拥有更加广阔的应用前景，如作为耐高温材 料、储氢材料等。

碳气凝胶发展史（图片来源文献:  doi.org/10.1002/celc.202000829）

碳气凝胶还是一种具有导电性的气凝胶，其电导率高达25~100s/cm，这也使碳气凝胶在电化 学领域中受到越来越多的关注。碳气凝胶具有稳定的物理化学性能和优异的导电性能， 既可以作为燃料电池的理想电催化剂，也可以作为锂离子电 池、超级电容器等电化学器件的理想电极材料；同 时 碳 气 凝 胶因比表面积高、孔隙率高等还可以作为载体材料，提 高 原 有电化学器件的电化学性能，并且为包括能量储存和转换在 内的众多应用提供性能保证。现阶段，碳气凝胶在电化学领域中的应用已经成为了研究的热点。

碳气凝胶材料（图片来源网络）

碳气凝胶的电化学应用

“

碳气凝胶在电容器的应用

碳气凝胶超级电容器在实际应用中却倍受限制,究其原因主要是以下两方面:

一方面,纯碳气凝胶表面呈疏水状态,不利于电解液的浸润与渗透,极大地增加了电解液中离子与孔的接触阻力,导致其电容性能降低。为了改善上述情况,通常采用掺杂杂原子（如氮、磷、硫等）的方式对碳气凝胶进行改性。其中氮元素因具有与碳相似的结构、能够有效掺入碳骨架当中而成为广泛选用的掺杂元素。

另一方面,碳气凝胶常用的制备方法—超临界CO2干燥法,存在成本高昂、耗时久、危险性高等缺点,导致其规模化生产困难。

目前，Powersotr公司以碳气凝胶为电极材料，使用有机电解质制得的超级电容器的电压为3V，容量为7.5F，比能量和比功率分别为0.4W·h/kg和250W/kg，而且该产品已实现产业化｡

“

碳气凝胶在锂电池的应用

”

通过与其他系统的比较，锂离子电池是电动汽车储能的理想选择。锂离子电池是一种高能量密度的电池。对于实际电池，选择了碳基负极和金属氧化物基正极，因为它们可以提供最大的比能量、足够的比功率和能量长循环寿命。在电池的负极侧，使用经过不同修改的碳材料。碳气凝胶属于无序碳材料。随着热解温度的不同，热解程度不同混乱是可以调整的。由于碳气凝胶具有整体结构、高比表面积（400-1100 m2/g）和高导电性，因此有望用作性能更好的可充电电池的电极。

“

电催化

”

碳材料的缺陷是电催化（ORR/OER/HER）活性位之一，近年来被广泛关注。碳气凝胶是一种多孔、非晶态的纳米碳材料，其比表面积高、孔隙发达，颗粒贯通的三维网络结构和富缺陷等特点在电催化方面具有较大优势。但纯的碳气凝胶电催化活性不高，与贵金属催化剂有较大差距。一方面，N掺杂是一种有效调控碳电子结构的手段；另一方面，包覆金属的碳层与金属作用发生电子转移，导致金属-碳层之间的界面极化，形成新的催化活性中心。

（图片来源：华南理工大学教授彭新文课题组）