酚醛基炭氣凝膠的研究進展

周亞蘭，閆雯，羅路，范毜仔，杜官本，趙偉剛

（1 福建農林大學材料工程學院，福建 福州 350002；2 西南林業大學材料料學與工程學院，云南 昆明 650224）

炭氣凝膠是一種由球形納米級顆粒聚集而成的多孔結構的納米材料，也是目前合成材料中密度最小的材料之一。酚醛樹脂基炭氣凝膠指的是由原料基于酚羥基鄰對位的活潑氫和醛基的反應所制備的氣凝膠材料。最早的報道是美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室Pekala在堿性條件下以間苯二酚和甲醛為原料，經溶膠-凝膠過程和超臨界干燥方法制備的有機氣凝膠（RF），再經炭化得到炭氣凝膠。炭氣凝膠的骨架粒子大小一般在2～100nm，納米級顆粒相互連接會形成三維空間網絡結構，在顆粒的內部、顆粒和顆粒的連接處以及顆粒的表面均含有一定量的微孔；顆粒之間也會相互交聯，形成“珠鏈狀”堆積，空間堆積交聯聚合從而形成豐富的中孔以及大孔，因此最終形成的炭氣凝膠材料具有孔隙率高、比表面積大和密度小等優點。同時其良好的成型效果和導電性，使得炭氣凝膠在作為吸附材料、導電材料、催化劑載體、儲氫材料等眾多高值化應用領域均表現出極大的潛力。

雖然炭氣凝膠優點眾多，但是其制備工藝復雜、生產周期較長，工業化生產難度較大，而且其制備原料昂貴并會造成環境污染，所以需要不斷尋找價格低廉、綠色可再生的替代原料。與此同時，也需要對其制備方法進行革新以降低生產成本并提高其性能。隨著研究的不斷深入，炭氣凝膠的制備原料逐步從間苯二酚向價格低廉的苯酚，再向更加低成本、可再生的生物質材料發展。炭氣凝膠的干燥方法也由傳統的超臨界干燥向更加節能高效的冷凍干燥和常壓干燥方向發展。本文旨在綜述不同原料的酚醛基炭氣凝膠的制備方法和工藝，總結酚醛基炭氣凝膠作為吸附材料以及在電化學儲能以及其他領域的應用研究，并分析酚醛基炭氣凝膠材料將面臨的機遇與挑戰。

1 酚醛基炭氣凝膠的制備

酚醛樹脂作為酚醛基炭氣凝膠的原料，其是由酚類化合物（間苯二酚、苯酚、二甲酚、對苯二酚、腰果酚等）和醛類化合物（甲醛、糠醛、多聚甲醛、乙醛等）在酸性或者堿性條件下，通過適當的加成和縮聚反應得到的一類聚合物樹脂的統稱。按照分子結構和受熱后性能的不同，分為分子量較低、空間結構線型的熱塑性酚醛樹脂（novellas）和受熱后自固化、空間呈現網狀交聯結構的熱固性酚醛樹脂（resoles）兩大類。一般情況下，在酸性催化劑作用下，酚過量（甲醛與三官能度或者雙官能度的酚）時可以縮聚生成線型的熱塑性樹脂，其特征是僅含少量的交聯結構，相對分子量較低，一般在200～1300 之間，平均500 左右，同時酚基與亞甲基連接，不帶羥甲基。而更為常見的是，在堿性催化劑作用下，酚和醛（一般醛過量）可以生成體型的熱固性樹脂，對于用作炭氣凝膠材料制備的原料一般為甲階酚醛樹脂，其特征是平均分子量較低，在500～600 之間，平均聚合度4～5，分子以線型結構為主，是支鏈非常少的低分子混合物，含有游離的羥甲基，可溶于堿水溶液、乙醇和丙酮等溶劑。以上兩種酚醛樹脂均可用來制備氣凝膠，但是線型的熱塑性樹脂是聚亞甲基酚，自身無法進行交聯固化，需要加入固化劑，一般為六亞甲基四胺與酚基上未反應的對位活潑氫反應，進一步聚合交聯，最終變成三向網狀結構的固化樹脂。而熱固性酚醛樹脂可以自固化，不需要額外加入固化劑，羥甲基的不斷縮聚、交聯最終形成網狀結構，使得在溶膠-凝膠時膠體顆粒繼續增長、聚集、交聯成高分子鏈。當然除了采用以上兩種合成的酚醛樹脂為原料并將其稀釋再進行溶膠-凝膠之外，也可以采用一步法直接將原料（酚類、醛類、催化劑等）進行混合并稀釋，調整合適的工藝參數進行溶膠-凝膠化過程。目前而言，酚醛基炭氣凝膠按原料來源主要分為間苯二酚基炭氣凝膠、苯酚基炭氣凝膠和單寧/木質素基炭氣凝膠三大類。盡管原料不同，但其制備過程均包括以下三個主要步驟：首先采用溶膠-凝膠法制備濕凝膠；進而對濕凝膠進行溶劑置換和干燥處理得到有機氣凝膠；最后將有機氣凝膠進行炭化處理得到炭氣凝膠，具體制備流程如圖1所示。

圖1 酚醛基炭氣凝膠的制備流程示意圖

1.1 溶膠-凝膠反應

溶膠-凝膠過程通過3 個步驟將原料轉變為連續且無序的網狀結構，首先原料在催化劑的作用下發生水解和縮合反應形成低聚態聚合物（oligomer），之后多官能團的低聚態聚合物不斷聚合交聯形成微小粒子，期間單體聚合仍在不斷進行，最后這些粒子不斷增長、聚集、交聯、合并形成穩定的溶膠凝膠體系。至此所形成的凝膠還不能直接用于后續的干燥階段，需先經老化處理，即在液態環境下發生粗化、縮聚、聚聯成鏈狀的三維網絡結構，從而進一步改善其強度，減少在后續干燥過程中的收縮，甚至坍塌破壞。溶膠-凝膠過程中的反應參數如反應物濃度、比例、催化劑用量、pH、反應溫度等均會對凝膠產生影響，從而最終影響炭氣凝膠的孔隙結構和物化性能。孫超用廉價易得的線型酚醛樹脂為原料，六亞甲基四胺為固化劑，無水乙醇為溶劑，通過溶膠-凝膠法制備有機氣凝膠并對其制備工藝進行了系統的研究。目前報道的溶膠凝膠過程一般以堿性催化劑最為常見，而且其種類和加量對產品的影響也非常顯著。De Horikawa 等在微堿性條件下以間苯二酚和甲醛為原料進行溶膠-凝膠反應并得到網狀的炭氣凝膠材料，發現可以通過改變催化劑種類和添加比例來調節和控制炭氣凝膠的孔隙結構。本文作者課題組以苯酚和甲醛為主要原料在堿性條件下合成了網狀空間結構的酚醛樹脂基炭氣凝膠，并對其制備工藝進行了研究，結果表明，反應物濃度越小，則產物密度越小，但是濃度過小會導致最終產物的力學性能降低。本文作者課題組還對催化劑加量、pH、反應溫度等作了系統研究，確定了適宜的pH范圍為10～11，反應溫度為80～85℃。

但是，也有研究發現，酸催化劑也會對氣凝膠產生一定的影響。Mulik 等以鹽酸催化代替堿催化制備了間苯二酚-甲醛氣凝膠，結果表明，其在室溫下約2h或在80℃條件下10min內即可完成凝膠化過程?？梢姡啾扔趥鹘y的堿催化長達約一周的凝膠過程，酸催化劑可大大縮短凝膠化時間，而且得到的氣凝膠在化學性質上差別不大，這一發現為酚醛樹脂基氣凝膠的研究提供了一個新的方向。

1.2 干燥

經溶膠-凝膠得到的濕凝膠再經干燥即可得到有機氣凝膠，但是在干燥之前，首先需經過溶劑置換過程。干燥的目的是除去凝膠中經置換而存在的大量溶劑，從而得到超低密度的有機氣凝膠材料。目前，干燥方法主要包括超臨界干燥、冷凍干燥和常壓干燥三種，其中超臨界干燥方法的應用時間最早，其特點是通過壓力和溫度的控制，將超臨界流體直接轉化為氣體（如圖2、圖3所示）。由于避免了毛細管力的作用，超臨界干燥得到的氣凝膠結構最為完整，體積收縮最小，是目前應用最為廣泛的干燥方法，見表1。但是其操作比較繁瑣、周期較長、成本高，而且高壓環境也存在一定的安全隱患。Szczurek等以不同的稀釋比例制備了間苯二酚-甲醛樹脂基水凝膠，經丙酮或乙醇置換，隨后使用超臨界丙酮或超臨界乙醇進行干燥，得到結構良好的有機氣凝膠，同時發現使用超臨界乙醇干燥得到的氣凝膠比使用超臨界丙酮干燥得到的氣凝膠表現出更高的收縮率和堆積密度。常壓干燥即直接在環境壓力下進行干燥，具有易操作和時間短等優點。Léonard 等將水凝膠直接置于鼓風式干燥箱中進行常壓干燥，溫度70℃時，時間僅需4～5h，但是孔內液體蒸發時表面張力較大，從而易導致干燥過程中孔結構的坍塌，體積收縮非常顯著，所得到的炭氣凝膠密度也相對非常大，見表1。有研究證明，通過加入表面活性劑可以降低液體的表面張力，從而一定程度上減小毛細應力，并最終改善常壓干燥的效果。最后一種方法，即冷凍干燥，是先將凝膠冷凍，再進行升華干燥，這也有助于消除大部分的毛細管力。冷凍干燥可以獲得結構完整的氣凝膠，且密度范圍和孔隙結構均較好，但干燥過程中可能會有冰晶的形成，從而對凝膠網絡造成破壞，影響孔隙結構的均勻性。

圖2 純化合物的典型相圖

圖3 氣凝膠不同的干燥方法[19]

表1 不同原料的酚醛基炭氣凝膠的比較

相比之下，常壓干燥由于產品性能最差，所以研究和應用均較少。而相較于傳統的超臨界干燥，冷凍干燥具有成本低、操作簡單、周期短等優勢，同時產品性能與常壓干燥相比也有大幅度提升，將是以后干燥工藝研究的重要方向。Job 等研究了不同干燥方法對間苯二酚-甲醛基氣凝膠孔隙結構的影響，研究表明，通過超臨界干燥獲得的樣品孔隙結構完整，體積收縮最小；通過工藝調整，常壓干燥雖然也可以保證孔結構的完整，但是樣品收縮嚴重，密度極大；冷凍干燥則介于超臨界和常壓干燥之間，但是要避免在高稀釋率條件下存在的冰晶生長所導致的產品中巨大通道的出現，所以對冷凍干燥的工藝研究和優化至關重要?？梢姡陨先N干燥方法各有利弊，可以根據不同的應用需求來選擇最適宜的干燥方法。本文作者課題組使用低成本的冷凍干燥代替傳統的超臨界干燥方法，以甲基酚醛樹脂為原料，制備了酚醛樹脂基炭氣凝膠材料，結果表明，通過冷凍干燥可以得到成型良好的有機氣凝膠和炭氣凝膠，未見冰晶的形成，炭氣凝膠密度可低至0.1g/cm，抗壓強度可高達0.3MPa。

1.3 炭化

炭化是制備炭氣凝膠的最后一個步驟，在炭化過程中，隨著熱解的進行，孔結構收縮，中孔與微孔的比例顯著增加，從而導致炭氣凝膠材料的比表面積大幅增大。不同的工藝條件，如炭化溫度、升溫速率、炭化時間、惰性氣體等的改變均會導致氣凝膠的性質發生變化，尤其是孔隙結構。Shen等研究了炭化溫度對炭氣凝膠的影響，發現當炭化溫度高于600℃時，炭氣凝膠的比表面積隨著炭化溫度的升高而略有減小，而當炭化溫度低于600℃時，比表面積隨著炭化溫度的升高而增大。Liu 等發現炭氣凝膠的比表面積和孔體積均隨著炭化溫度升高先增大而后減小，當炭化溫度為800℃時，比表面積和孔體積達到最大值。Wang等以間苯二酚、間苯三酚和甲醛為原料成功制備炭氣凝膠并發現，炭化溫度為900℃時，材料比表面積最大，同時XRD 結果顯示氣凝膠的石墨化程度隨著炭化溫度的升高而升高。可見，通過控制炭化條件可以對炭氣凝膠的孔隙結構和石墨化程度進行有效調控。目前對于整個炭化工藝的研究還不夠系統，比如還未見關于升溫速率、惰性氣體種類和流量，以及炭化時間等的具體研究。

2 酚醛基炭氣凝膠的分類

2.1 間苯二酚基炭氣凝膠

間苯二酚基炭氣凝膠是最早也是最傳統的酚醛樹脂基氣凝膠，見表1。首先間苯二酚在催化劑的作用下和甲醛發生加成反應形成羥甲基衍生物，羥甲基衍生物再進行縮聚反應形成亞甲基鍵或亞甲基醚鍵連接的化合物，最后再進一步縮合成網絡狀聚合物，其反應機理如圖4所示。

圖4 間苯二酚-甲醛基炭氣凝膠形成機理

Kocklenberg等以間苯二酚和甲醛為原料合成出含羥甲基的線性酚醛樹脂，將其稀釋并于70℃條件下進行凝膠老化，而后通過冷凍干燥得到整體結構良好的氣凝膠，同時發現反應物比例、稀釋比和老化時間對氣凝膠孔隙結構均有影響顯著。Job等采用常壓干燥方法，研究了合成溫度和催化劑比例對間苯二酚-甲醛基氣凝膠的影響，發現提高凝膠溫度可以縮短合成時間，而氣凝膠的孔徑大小會隨著催化劑的減少而減小。Alonso-Buenaposada等通過微波加熱合成了間苯二酚-甲醛基氣凝膠并研究了酸性催化劑對其孔隙率的影響，發現酸性催化劑可以加快反應速率，縮短合成時間，增大材料孔徑大小。Wu等通過間苯二酚-糠醛在堿性條件下縮聚形成網狀結構，采用乙醇超臨界干燥制得氣凝膠，研究了溶液濃度、間苯二酚與氫氧化鈉的摩爾比、間苯二酚與糠醛的摩爾比等制備條件對凝膠時間和堆積密度的影響。研究發現，催化劑含量降低可以增加氣凝膠的粒徑，而糠醛含量增加可以提高材料的交聯密度，減小干燥收縮率。總的來說，間苯二酚基炭氣凝膠雖然已技術成熟并得到了較為廣泛的應用，但是間苯二酚作為原材料價格昂貴，工業化生產相對受限。

2.2 苯酚基炭氣凝膠

與間苯二酚相比，苯酚相對廉價易得，可較大程度降低原料成本。苯酚與甲醛的反應機理與間苯二酚相似，即首先生成羥甲基衍生物，再進行縮聚反應形成凝膠網絡，如圖5 所示。Mukai 等采用冷凍干燥并使用廉價的苯酚來替代間苯二酚合成氣凝膠。測試發現，使用苯酚和間苯二酚為原料制備的氣凝膠差異不大，均具有獨特的中孔結構。Wu等也以苯酚與甲醛為原料，輔以氫氧化鈉作為催化劑進行溶膠-凝膠聚合，并采用了乙醇超臨界干燥方法，研究了苯酚與氫氧化鈉的摩爾比、苯酚與甲醛的摩爾比、凝膠化溫度等制備條件對氣凝膠凝膠化時間、堆積密度和物理化學結構的影響，其比表面積和中孔體積可分別達到714m/g和1.84cm/g。

圖5 苯酚-甲醛基炭氣凝膠形成機理

也有研究發現，通過表面化學改性，比如說雜原子氮摻雜可以改善炭氣凝膠的性能。Long等通過苯酚、三聚氰胺和甲醛進行溶膠-凝膠聚合，再進行超臨界干燥和炭化處理，發現通過改變原料摩爾比可以調控炭氣凝膠的孔徑分布和平均中孔直徑。易東等通過超臨界干燥方法制備了具有典型三維網絡骨架結構的介孔炭氣凝膠，其骨架由大量納米級顆粒組成，比表面積可達383m/g，孔徑分布主要集中在19nm 左右。本文作者課題組分別以尿素和三聚氰胺為氮源，輔以苯酚和甲醛作為原料成功制備出雜原子摻雜酚醛基炭氣凝膠材料，同時采用了低成本的冷凍干燥技術，使得產品成本大幅度降低，同時力學性能和吸附性能也有較大提升，抗壓強度可達0.67MPa，而0℃和10Pa 條件下CO吸附量可達5.8mmol/g。

2.3 單寧/木質素基炭氣凝膠

單寧和木質素的結構都是酚類物質，首先通過加成反應生成含羥甲基的低分子混合物，然后進一步發生縮聚和交聯反應，所以它們與醛的反應性和凝膠化過程都與間苯二酚或苯酚類似。

木質素的化學結構雖然復雜，但基本結構單元是苯丙烷。苯丙烷有三種基本結構，分別是愈創木基結構、紫丁香基結構和對羥苯基結構，如圖6所示。木質素基炭氣凝膠主要是基于木質素和甲醛之間發生的羥甲基化反應，再進一步縮合形成含有亞甲基和醚鍵的聚合物。Grishechko 等使用木質素和苯酚作為原料來替代間苯二酚制備氣凝膠，木質素的占比高達80%，成本降低顯著。羿穎等以木質素和纖維素為原料，采用真空冷凍干燥法制備木質素/纖維素復合氣凝膠，其平均孔徑約15nm；隨著木質素含量的增加，樣品的比表面積與孔容均呈下降趨勢；作為亞甲基藍吸附劑，飽和吸附容量可達200mg/g，效果良好。

圖6 木質素的基本結構

單寧可分為水解類單寧和凝縮類單寧兩大類。凝縮類單寧主要由黃烷-3-醇單體構成的黃酮類化合物組成，其化學結構如圖7所示。凝縮類單寧由于反應活性高、價格較低，所以適宜于作為黏合劑、樹脂和凝膠材料的制備原料。單寧基氣凝膠的反應正是基于凝縮單寧的類黃酮單元與甲醛的聚合反應，主要的交聯反應是形成亞甲基橋（—CH—）和不穩定的亞甲基醚橋（—CHOCH—），反應機理如圖8所示。目前用來合成氣凝膠的單寧主要有荊樹皮單寧、含羞草單寧以及堅木單寧等。Amaral-Labat 等以荊樹皮單寧和甲醛反應生成含有支鏈的線型的酚醛樹脂，通過加入表面活性劑在不同pH 下凝膠化，再經亞臨界干燥得到多孔氣凝膠，具有廉價、可再生、資源豐富和制備簡單等優點。Szczurek 等以含羞草單寧與甲醛聚合得到有機氣凝膠，再用超臨界丙酮干燥并在900℃下熱解得到炭氣凝膠，其總孔體積和微孔孔徑分布與間苯二酚基炭氣凝膠相似。Szczurek 等還以含羞草單寧代替了2/3 質量的間苯二酚和甲醛制備氣凝膠，研究發現所得到的炭氣凝膠以中孔和微孔為主，孔徑分布隨著酸堿度的增加而逐漸向更窄的孔移動。Rey-Raap 等使用荊樹皮單寧來代替間苯二酚，再和甲醛反應合成炭氣凝膠，研究了表面活性劑對其材料化學組成和孔隙結構的影響。結果發現，單寧基炭氣凝膠材料比傳統的間苯二酚基氣凝膠成本更低，也更加的環保和“綠色”。因此，以單寧或者木質素為原料也可以成功制備性能良好的氣凝膠材料，見表1。需要強調的是，采用單寧或者木質素等生物質材料作為原料，不僅可以大幅度降低成本，而且原料對環境無害，可再生，是一種理想的氣凝膠制備原料。

圖7 凝縮類單寧的化學結構[44]

圖8 凝縮單寧單體與甲醛的反應機理[39]

3 酚醛基炭氣凝膠的應用

酚醛基炭氣凝膠作為一種多孔結構的納米功能材料，同時兼有炭素材料和氣凝膠材料的優異性能。隨著生產技術的不斷發展，生產成本的進一步降低以及認識的逐步深入，酚醛基炭氣凝膠材料的應用也必將變得更加廣泛。

3.1 吸附材料

近年來，隨著工業的持續發展，化石燃料的使用導致廢氣[如二氧化碳（CO）、甲烷（CH）、氮氧化物（NO）、硫化氫（HS）等]大量排放，引起了人們的廣泛關注。此外，石油和化學品泄漏、有機染料、重金屬離子的排放等也造成了嚴重的水體污染，也是亟待解決的重大環境問題。炭氣凝膠由于具有獨特的三維網絡結構和可控的孔隙結構，在氣體吸附、離子吸附、有機溶劑吸附等領域具有極大的應用潛力。具體而言，炭氣凝膠的孔隙發達，不僅表現在含有大量微孔，可以有效吸附小分子的氣相物質，而且由于氣凝膠孔隙之間相互連接也導致介孔的大量存在。這一方面可以進一步提高氣相小分子的吸附速率，另一方面也使得其對于大分子的液相吸附表現出良好的吸附效果。

以CO吸附為例，Guarín-Romero等以間苯二酚和甲醛為前體合成了氣凝膠，在30℃和5MPa 條件下，其CO和CH的吸附量分別為12.6mmol/g 和6.0mmol/g。Robertson 等通過常壓干燥合成炭氣凝膠并采用KOH 對其進一步進行活化，炭氣凝膠的比表面積和孔體積分別為508m/g 和0.68cm/g，25℃時CO的吸附量為2.7～3.0mmol/g。Moon 等也采用KOH 作為活化劑，通過軟模板法合成了炭氣凝膠。結果表明，活化溫度對材料比表面積和孔徑分布具有重要影響，同時炭氣凝膠的CO吸附能力主要取決于其超微孔徑的分布。Ello 等以尿素為氮源，合成了氮摻雜間苯二酚-甲醛基炭氣凝膠。研究發現，CO吸附量由樣品中微孔含量和雜原子氮元素含量共同決定，25℃和0℃條件下的吸附量分別為3.6mmol/g和4.5mmol/g。Liu等在不同的炭化溫度下合成了炭氣凝膠，發現炭氣凝膠的比表面積和孔體積受炭化溫度的影響顯著，同時CO的吸附性能與炭氣凝膠的孔隙和表面性質密切相關。本文作者課題組以雜原子摻雜的酚醛基炭氣凝膠材料（見圖9）分別作為CO和H的吸附材料，同時研究了其電化學性能，發現雜原子的引入對于吸附和電化學性能的改善作用明顯，其最大比表面積可達1710m/g，而CO在0℃和25℃的吸附量可分別達5.8mmol/g 和4.5mmol/g，遠高于大部分酚醛基炭氣凝膠材料；同時對其循環使用次數進行了研究，發現經過12 次循環吸附和解吸之后，吸附量還能維持其原始吸附量的98%，重復性能良好。Carrott 等也評估了炭氣凝膠作為吸附劑的穩定性，在25℃條件下對其進行了多次吸附/解吸循環發現，經過6 次循環后的CO吸附量基本不變，證實了炭氣凝膠作為CO吸附材料的穩定性良好，可重復利用。為了更好地說明酚醛樹脂基炭氣凝膠與其他納米炭材料作為CO吸附劑的性能差異，表2比較了不同的納米炭材料的CO吸附量大小。由表2 可知，以酚醛樹脂基炭氣凝膠材料作為CO吸附劑，其具有同等甚至更好的吸附效果。尤其是具有雜原子摻雜的酚醛樹脂基炭氣凝膠，其CO吸附量明顯較高。故而，對酚醛樹脂基炭氣凝膠材料進行化學改性將是其作為吸附材料研究的重要方向之一，同時金屬摻雜以及炭氣凝膠復合材料的制備研究也將是其發展的方向。此外，酚醛樹脂基炭氣凝膠良好的氣相吸附性能也使其成為一種極具潛力的儲氫材料，Srivastava等采用常壓干燥制備間苯二酚甲醛基炭氣凝膠，其在-196℃和3MPa 的條件下的吸附儲氫量可達4.8%。

表2 酚醛基炭氣凝膠和其他炭材料的CO2吸附量的比較

圖9 苯酚-三聚氰胺-甲醛制備氮摻雜酚醛基炭氣凝膠材料[16]

在液相吸附，尤其是在水體污染處理中，炭氣凝膠也表現出優異的吸附性能。Alvares Rodrigues等通過荊樹皮單寧與甲醛進行縮聚反應制備氣凝膠，發現其對鉻的吸附效果良好。Malaika 等首先以間苯二酚-甲醛制備炭氣凝膠，進而以稀硝酸水熱法或者熱改性法等對炭氣凝膠的表面進行化學改性。研究發現，炭氣凝膠的吸附和催化性能強烈依賴于其表面的化學結構；對苯酚的吸附在堿性表面（主要在季氮存在下）條件下較為有利，在羧基存在條件下受阻；表面含有季氮和中性含氧基團的炭氣凝膠對于苯酚的去除率可以達到60%。

3.2 電化學領域

炭氣凝膠是唯一具有導電性能的氣凝膠材料，同時具有高比表面積、高孔隙率、低密度、良好的穩定性和結構可調等優異性能，是制備電化學儲能器件的理想材料。炭氣凝膠的孔徑分布較寬，含有大量的微孔及中孔和大孔。微孔的存在使其具有較大的比表面積，這為高比電容提供了較好的結構基礎；同時大量介孔和大孔的存在則更有利于電解質離子的擴散，從而有效提高充放電效率。Mezzavilla 等以常壓干燥合成了間苯二酚-甲醛炭氣凝膠，其單電極比電容可達100F/g，能量密度可達3.1Wh/kg。Kalijadis 等以間苯二酚和甲醛為原料，以三聚氰胺為氮源，合成了氮摻雜的間苯二酚-甲醛氣凝膠，發現雜原子摻雜對于炭氣凝膠的電化學性能影響顯著，5mV/s 時，其比電容可達130.2F/g。

生物質基炭氣凝膠也具有良好的電化學性能，Zapata-Benabithe 等以木質素部分取代間苯二酚制備氣凝膠作為超級電容器電極材料，其比電容值在138～234F/g 之間。Amaral-Labat 等以含羞草單寧和甲醛為原料制備了氣凝膠，發現當pH 高于6時，炭氣凝膠表現出最佳的比電容（100F/g）。因此，采用生物質材料合成氣凝膠，不僅原料綠色環保，而且可以顯著降低產品成本，最重要的是所制備的氣凝膠產品性能優越，應用前景廣泛。

3.3 其他領域

炭氣凝膠由于其孔隙結構易于調控，且易于進行表面化學和摻雜改性，可以作為高效催化劑載體。此外，炭氣凝膠還可以應用于力學、聲學、保溫隔熱材料等領域。Long 等以苯酚、三聚氰胺和甲醛為原料制備了炭氣凝膠，經碳酸鈉浸漬后，將其作為HS 低溫氧化元素硫的新型催化劑，其催化性能是市售催化劑的4～7倍，說明炭氣凝膠負載催化劑的開發和應用前景很大，具有潛在的經濟和環境優勢。而由生物質材料合成的炭氣凝膠也具有高效的催化性能，Mohammad Zainol 等通過酸催化的溶膠-凝膠縮聚合成了木質素基炭氣凝膠，將其作為超強酸固體催化劑，效果良好。

4 結語

酚醛基炭氣凝膠作為傳統的炭材料之一，基于其孔隙率高、比表面積大、密度小等優點，不僅作為氣相和液相吸附材料表現出較大的吸附量，具有極大的優勢和發展前景，同時還因具有高電導率、低電阻系數、可多次循環等良好的電化學性能，使其成為高效的新型儲能材料。另外酚醛基炭氣凝膠還在催化劑、力學、聲學、保溫隔熱材料等領域具有很大的應用潛力。酚醛基炭氣凝膠的制備原料呈現了從間苯二酚向廉價的苯酚，進而再向可再生、低成本的生物質材料單寧/木質素等的轉化。生物質原料來源廣泛，而且綠色環保無污染，是最為豐富的碳源，用生物質材料來制備炭氣凝膠是一種新型、可持續的制備和利用方式，所以還需要不斷地進行新原料的開發利用。另外，氣凝膠的制備過程較為復雜，受溶膠-凝膠、溶劑置換和干燥、炭化等非常多因素的影響，其中每一個因素又包含多個影響因子，所以對其制備工藝的系統研究，尤其是針對不同原料的制備工藝的系統研究和優化還需進一步加強。

總體來說，酚醛基炭氣凝膠材料雖然優點突出，性能優異，但是其力學性能、吸附能力以及穩定性方面還有待進一步地提高，要實現工業化生產和實際應用也還面臨著諸多挑戰?；诖耍疚奶岢鲆韵聨c建議。

（1）研究優化炭氣凝膠的制備方法和工藝。以應用為目的，針對不同的應用領域，不斷調整優化反應條件，從而達到縮短反應時間，降低生產成本并最終獲得孔隙結構良好的炭氣凝膠材料。

（2）研究探索新型的酚醛基炭氣凝膠制備原料。生物質材料眾多，不斷尋找新的含有酚類結構的生物質材料，不僅可以降低原料成本，提高生物質資源的利用率，而且最終產品也將更加綠色、環保、可再生。

（3）積極探索開發新型炭氣凝膠復合材料。這不僅體現在傳統的表面化學改性、雜原子摻雜、金屬摻雜等方面，而且也表現在與其他新型材料，如納米纖維素、氧化石墨烯、碳納米管、MXene等新型納米材料的復合領域，從而改善和提高酚醛基炭氣凝膠的性能，不斷擴寬其應用領域。