碳基材料在能源儲存、環境科學和材料化學等領域具有廣泛的應用, 數十年來國內外學者開發出了多種多樣的新興碳基材料, 包括生物炭、石墨烯、氧化石墨烯(GO)、碳納米管、碳納米纖維、碳球、碳氣凝膠、氮摻雜碳和石墨相氮化碳。碳氣凝膠(carbon aerogels, CAs)一般是采用有機氣凝膠作為前驅體在惰性氣體中高溫碳化得到的一類新型納米多孔碳材料, 兼具氣凝膠材料和碳基材料的特征。碳氣凝膠具有高比表面積、分級多孔結構、高導電性、優良的化學穩定性等優勢, 具有極大的應用潛力。

碳氣凝膠材料的制備方法主要有溶膠-凝膠法、水熱碳化法、直接碳化法這3 類。碳氣凝膠的制備通常包括以下3個步驟: ①前驅體溶膠化, 溶膠發生凝膠化和老化; ②凝膠干燥變成氣凝膠; ③氣凝膠碳化得到碳氣凝膠。

碳氣凝膠及其復合材料的制備和環境應用

針對污染物吸附、油水分離和污染物催化降解, 國內外學者設計了一系列基于 碳氣凝膠的新型復合材料, 大幅提高了材料性能。

1.吸附去除污染物

1.1吸附去除有機污染物

碳氣凝膠及其復合材料具有豐富的多孔結構和高的比表面積, 因而廣泛應用于各種類型有機污染物的吸附去除。相比于傳統的粉末狀吸附材料, 碳氣凝膠及其復合材料的體相結構是一個突出優勢, 使其回收利用更為方便。

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碳氣凝膠及其復合材料對污染物的吸附去除

1.2吸附去除無機污染物

碳氣凝膠及其復合材料被廣泛應用于重金屬的吸附去除。在吸附去除廢水中無機離子的基礎上, 還可以進一 步嘗試利用碳氣凝膠及其復合材料回收高價值的金屬, 實現廢棄物的資源化利用。例如, 含碲廢物中蘊含著經濟價值巨大的碲元素資源, 碳氣凝膠材料可以作為功能材料從含碲廢物中回收碲資源。

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1.3吸附二氧化碳

利用碳氣凝膠材料吸收二氧化碳需要引入特定的官能團, 提升材料對二氧化碳的吸收能力。

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2.油水分離

超級油輪、鉆井和自然災害造成的石油泄漏是一個世界性難題, 對海洋生態系統和水生生物造成了巨大的危害。具有多孔性、疏水性和親油性的碳氣凝膠材料對油類物質具有很強的吸收能力, 在治理石油泄漏方面展現出了巨大的優勢。

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利用碳氣凝膠復合材料進行油水分離過程示意圖

3.催化降解污染物

3.1類芬頓反應

碳氣凝膠及其復合材料可以作為光催化、電催化、類芬頓反應的催化劑, 促進有機污染物的催化降解。氣凝膠中豐富的多孔結構有助于有機污染物的快速吸附, 從而促進后續的降解過程。碳材料活化過硫酸鹽降解有機污染物, 一般是通過非自由基路徑進行的。將含鐵物種引入到氣凝膠材料中不僅有助于加強對 過硫酸鹽的活化能力, 還有助于材料的磁回收。在電芬頓反應過程中, Fe2+的再生是決定整體反應效率的核心因素。

3.2光催化

氣凝膠材料也被廣泛應用于染料的光催化降解和殺菌。例如, 磁性纖維素基@ ZnFe2O4碳氣凝膠納米復合材料通過吸附和光催化的協同作用實現亞甲基藍的高效降解。

近年來, 國內外學者設計制備了多種多樣的碳氣凝膠及其復合材料, 在環境保護中展現出獨特的優勢和廣闊的前景。為了進一步開發低成本、高性能的新材料, 促進實際應用, 應將更多的研究力量投入到以下幾個方向:

(1)開發出更高效的功能材料。目前雖然已經設計制備了多種多樣的復合材料, 但對于不同材料的復合機制和復合規律還缺乏系統的認識。發展不同類型復合材料的低成本、規模化和可控制備方法, 精準調控不同材料的比例和空間分布, 融合納米材料的性能優勢和體相材料的易回收性, 提高吸附、吸收、催化降解性能以及材料自身的綠色性、穩定性和可循環性仍是今后研究的重點。

(2)目前碳氣凝膠及其復合材料的應用仍然集中在水污染和大氣污染治理中, 針對土壤污染治理的研究還比較有限。由于土壤環境比水體更復雜, 深入研究碳氣凝膠及其復合材料與土壤環境的相互作用, 考察其對土壤微生物的影響也是重要的研究方向。

(3)現有的研究大多數仍然是在實驗條件下進行的。進行系統的經濟技術分析和環境影響評價是實現大規模應用的前提。

來源：[1]甄梅楠,劉峰,李超,畢濤,唐景春.碳氣凝膠及其復合材料的環境應用研究進展[J].中國材料進展,2023,42(01):64-73.

原文始發于微信公眾號（艾邦氣凝膠論壇）：生態環境保護：碳氣凝膠及其復合材料