碳基材料在能源儲(chǔ)存、環(huán)境科學(xué)和材料化學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用, 數(shù)十年來國內(nèi)外學(xué)者開發(fā)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?xì)饽z、氮摻雜碳和石墨相氮化碳。碳?xì)饽z(carbon aerogels, CAs)一般是采用有機(jī)氣凝膠作為前驅(qū)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?xì)饽z具有高比表面積、分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)電性、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì), 具有極大的應(yīng)用潛力。
碳?xì)饽z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?xì)饽z的制備通常包括以下3個(gè)步驟: ①前驅(qū)體溶膠化, 溶膠發(fā)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?xì)饽z。
碳?xì)饽z及其復(fù)合材料的制備和環(huán)境應(yīng)用
針對(duì)污染物吸附、油水分離和污染物催化降解, 國內(nèi)外學(xué)者設(shè)計(jì)了一系列基于 碳?xì)饽z的新型復(fù)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(jī)污染物
碳?xì)饽z及其復(fù)合材料具有豐富的多孔結(jié)構(gòu)和高的比表面積, 因而廣泛應(yīng)用于各種類型有機(jī)污染物的吸附去除。相比于傳統(tǒng)的粉末狀吸附材料, 碳?xì)饽z及其復(fù)合材料的體相結(jié)構(gòu)是一個(gè)突出優(yōu)勢(shì), 使其回收利用更為方便。
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碳?xì)饽z及其復(fù)合材料對(duì)污染物的吸附去除
1.2吸附去除無機(jī)污染物
碳?xì)饽z及其復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于重金屬的吸附去除。在吸附去除廢水中無機(jī)離子的基礎(chǔ)上, 還可以進(jìn)一 步嘗試?yán)锰細(xì)饽z及其復(fù)合材料回收高價(jià)值的金屬, 實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化利用。例如, 含碲廢物中蘊(yùn)含著經(jīng)濟(jì)價(jià)值巨大的碲元素資源, 碳?xì)饽z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?xì)饽z材料吸收二氧化碳需要引入特定的官能團(tuán), 提升材料對(duì)二氧化碳的吸收能力。
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2.油水分離
超級(jí)油輪、鉆井和自然災(zāi)害造成的石油泄漏是一個(gè)世界性難題, 對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)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?xì)饽z材料對(duì)油類物質(zhì)具有很強(qiáng)的吸收能力, 在治理石油泄漏方面展現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢(shì)。
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利用碳?xì)饽z復(fù)合材料進(jìn)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(yīng)
碳?xì)饽z及其復(fù)合材料可以作為光催化、電催化、類芬頓反應(yīng)的催化劑, 促進(jìn)有機(jī)污染物的催化降解。氣凝膠中豐富的多孔結(jié)構(gòu)有助于有機(jī)污染物的快速吸附, 從而促進(jìn)后續(xù)的降解過程。碳材料活化過硫酸鹽降解有機(jī)污染物, 一般是通過非自由基路徑進(jìn)行的。將含鐵物種引入到氣凝膠材料中不僅有助于加強(qiáng)對(duì) 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(yīng)過程中, Fe2+的再生是決定整體反應(yīng)效率的核心因素。
3.2光催化
氣凝膠材料也被廣泛應(yīng)用于染料的光催化降解和殺菌。例如, 磁性纖維素基@ ZnFe2O4碳?xì)饽z納米復(fù)合材料通過吸附和光催化的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)亞甲基藍(lán)的高效降解。
近年來, 國內(nèi)外學(xué)者設(shè)計(jì)制備了多種多樣的碳?xì)饽z及其復(fù)合材料, 在環(huán)境保護(hù)中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和廣闊的前景。為了進(jìn)一步開發(fā)低成本、高性能的新材料, 促進(jìn)實(shí)際應(yīng)用, 應(yīng)將更多的研究力量投入到以下幾個(gè)方向:
(1)開發(fā)出更高效的功能材料。目前雖然已經(jīng)設(shè)計(jì)制備了多種多樣的復(fù)合材料, 但對(duì)于不同材料的復(fù)合機(jī)制和復(fù)合規(guī)律還缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。發(fā)展不同類型復(fù)合材料的低成本、規(guī)?；涂煽刂苽浞椒? 精準(zhǔn)調(diào)控不同材料的比例和空間分布, 融合納米材料的性能優(yōu)勢(shì)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(wěn)定性和可循環(huán)性仍是今后研究的重點(diǎn)。
(2)目前碳?xì)饽z及其復(fù)合材料的應(yīng)用仍然集中在水污染和大氣污染治理中, 針對(duì)土壤污染治理的研究還比較有限。由于土壤環(huán)境比水體更復(fù)雜, 深入研究碳?xì)饽z及其復(fù)合材料與土壤環(huán)境的相互作用, 考察其對(duì)土壤微生物的影響也是重要的研究方向。
(3)現(xiàn)有的研究大多數(shù)仍然是在實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行的。進(jìn)行系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析和環(huán)境影響評(píng)價(jià)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的前提。
來源：[1]甄梅楠,劉峰,李超,畢濤,唐景春.碳?xì)饽z及其復(fù)合材料的環(huán)境應(yīng)用研究進(jìn)展[J].中國材料進(jìn)展,2023,42(01):64-73.
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦氣凝膠論壇）：生態(tài)環(huán)境保護(hù)：碳?xì)饽z及其復(fù)合材料