中科大俞书宏Angew. Chem. Int. Ed.综述：新兴碳纳米纤维气凝胶：化学合成与生物合成

【引言】

气凝胶是一类多孔轻质材料，通常是由溶胶-凝胶方法制得。气凝胶的独特结构使其具有许多迷人的物理特性，诸如超低密度、高表面积、优异的传质性能和低导热性等。目前包括金属氧化物、聚合物、碳化物以及金属等都已经能够用于制备气凝胶材料，其中基于聚合物的碳气凝胶尤为重要。碳气凝胶能够实现高反应表面积和通向这种表面传输路径的理想组合，因而在非均相催化剂载体、吸附剂、绝缘材料以及电极材料等方面具有重要的应用前景。近年来，碳纳米管和石墨烯的发现极大地促进了聚合物基碳气凝胶的发展和应用。碳纳米管和石墨烯气凝胶都可以通过化学气相沉积和分散体系凝胶化的方法来进行制备，但是前驱体昂贵以及合成需要涉及复杂设备限制了这些气凝胶的实际应用。因此，开发更简单和经济的途径（例如利用碳水化合物、纤维素以及蛋白质等可再生资源为原料）来制备纳米碳气凝胶成为必然的发展趋势。

【成果简介】

中国科学技术大学俞书宏教授（通讯作者）在Angew. Chem. Int. Ed. 上发表了题为“Emerging Carbon Nanofiber Aerogels: Chemosynthesis versus Biosynthesis”的综述文章，集中阐述了新兴碳纳米纤维气凝胶的化学合成与生物合成方法。首先展示了如何通过化学合成和生物合成的方法来制备碳纳米纤维（CNF）气凝胶，然后讨论了两种制备CNF气凝胶方法的合成特点，集中在结构和功能的多样性以及CNF气凝胶的物理化学性质和潜在应用。此外，作者还展示了基于可再生前驱体的CNF气凝胶与CNT和石墨烯气凝胶相比在诸多应用中具有竞争优势。

【图文导读】

图1 制备CNF气凝胶的两种策略示意图：化学合成与生物合成

图2 CNF气凝胶的化学合成

(a) 合成过程的示意图；

(b) 大尺寸整体湿凝胶的照片；

(c) 具有3D纳米纤维网络的HTC-CNF气凝胶的SEM图像；

(d) 各种直径的HTC-CNF的SEM图像；

(e) 在不同温度下HTC-CNFs直径与HTC反应时间的关系。

图3 CNF气凝胶的生物合成

(a) BC的生物来源以及原纤维形成的示意图；

(b) 在实验室中由醋杆菌属细菌产生的BC薄膜；

(c) 在工厂里工业规模生产的BC薄膜；

(d) BC气凝胶的SEM图像；

(e) BC-CNF气凝胶的SEM图像。

图4 CNF气凝胶衍生的纳米复合材料

(a) N和S原子掺杂的BC-CNF气凝胶的元素面扫描图；

(b) Fe和N原子掺杂的HTC-CNF气凝胶的元素面扫描图；

(c) Ag/HTC-CNFs纳米复合材料的形貌；

(d) MoS₂/HTC-CNFs纳米复合材料的形貌；

(e) MnO/HTC-CNFs纳米复合材料的形貌；

(f) SnO₂/BCCNFs纳米复合材料的形貌；

(g) Mo₂C/N-BC-CNFs纳米复合材料的形貌；

(h) Mo₂Se/BC-CNFs纳米复合材料的形貌。

图5 CNF 气凝胶的总结和展望

【小结】

在这个综述中，作者主要介绍了HTC-CNFs和BC-CNFs两种新兴的CNF气凝胶，它们可以通过化学合成和生物合成的策略制备出来，而且两种合成方法都适用于大规模CNF气凝胶的生产。在化学合成制备的CNF气凝胶方面，寻找低成本和环保的模板以取代目前昂贵的TeNWs对于可持续合成非常重要。而与HTC-CNF的可控化学合成相比，BC-CNFs气凝胶的结构参数更加难以有效控制，这是由于在微生物发酵过程中对BC微结构的操作是十分有限的。展望未来，作者指出化学合成与生物合成两种方法的有机结合有望为CNF气凝胶的研究提供新的机遇。此外，CNF气凝胶基功能材料的性能需要通过设计独特的结构、改变其物理性质以及控制合适的成分等来进一步提升。

文献链接：Emerging Carbon Nanofiber Aerogels: Chemosynthesis versus Biosynthesis (Angew. Chem. Int. Ed. 2018, DOI: 10.1002/anie.201802663)

【团队介绍】

俞书宏教授目前是中国科学技术大学教授、博士生导师、长江学者、国家杰出青年基金获得者。俞书宏教授团队长期从事无机材料的仿生合成与功能化的研究。在聚合物和有机小分子模板对纳米结构单元的尺寸和维度及取向生长的调控规律、仿生多尺度复杂结构材料的合成及构效关系研究方面取得多项创新成果。近年来，在面向应用的重要纳米结构单元的宏量制备、宏观尺度纳米组装体的制备与功能化、新型纳米材料的合成设计及能源转换材料等方面的研究取得了重要进展。

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