1 绪论
1.1 炭气凝胶概述
炭气凝胶是由炭纳米颗粒构成的具有连续三文网络结构的块体材料，其比表面积高、孔径分布可调、导电率好，可应用于双电层电容器的电极材料，也可应用于电吸附过程以脱除水中的重金属离子、辐射性同位素及一些有机废物等[1]。
炭气凝胶（carbon aerogels）与干凝胶（xerogels）并非同一概念，前者是湿凝胶经过超临界干燥得到的，后者是经过常压干燥得到的。其差别源于两者的干燥过程不同。具体来说，干凝胶一般是经过一个普通的干燥过程而获得的凝胶材料，其中伴随由于毛细压而产生的严重的体积收缩，因此其最终体积仅为其初始湿凝胶5~10%左右。本文来自优$文)论'文`网，
毕业论文 www.youerw.com 加7位QQ324~9114找原文而炭气凝胶（carbon aerogels）则在一个临界条件对其湿凝胶进行干燥，整个过程中无气液界面形成，即无毛细压力产生也无体积收缩发生，而此过程就是所谓的临界干燥。此外，炭气凝胶（carbon aerogels）一般是块状结构，而干凝胶多为粉末或者颗粒。最重要的是，因为其不同的干燥过程而使这两种凝胶具有不同的特性，干凝胶（xerogels）经常压干燥不具有任何纳米级孔洞，而炭气凝胶（carbon aerogels）通过临界干燥而具有大量的纳米级孔洞，这些孔洞结构赋予炭气凝胶（carbon aerogels）独特的性能。
炭气凝胶具有许多优异的性能和更加广阔的应用前景。由于炭气凝胶的结构和性能特性，炭气凝胶可用于制造超级电容器的电极，还可用于催化剂及催化剂载体、气体过滤材料、药物载体、红外线吸收材料和声阻抗耦合材料等领域[2’3]，有良好的应用前景。目前美国、德国、日本、法国等国家对炭气凝胶的研究开发工作极为关注。
炭气凝胶一般采用间苯二酚和甲醛为原料，经溶液-溶胶-凝胶、溶剂置换、超临界干燥和炭化等过程制备而成。由于其具有比表面积高(400m2/g~1100 m2/g)、密度变化范围宽(0.05 g/cm3~1.0 g/cm3)、孔径结构可调、导电率高(约25S/cm)等特点而成为高容量和高功率密度双电层电容器(EDLC)的理想电极材料。
目前，人们主要利用炭气凝胶吸附N2（77K），也有少量利用CO2（273K）或超临界N2（303K）来评价炭气凝胶的孔结构特征[4]。
1.1.1 炭气凝胶
炭气凝胶（carbon aerogel）是一种轻质、多孔、非晶态、块体纳米炭材料，其连续的三文网络结构可在纳米尺度控制和剪裁。它同时也是一种新型的气凝胶，孔隙率高达80%～98%，典型的孔隙尺寸小于50nm，网络胶体颗粒直径3nm～20nm，比表面积高达400m2/g～1100m2/g。
与传统的无机气凝胶(如硅气凝胶)相比，炭气凝胶具有许多优异的性能和更加广阔的应用前景。炭气凝胶具有导电性好、比表面积大、密度变化范围广等特点，是制备双电层电容器理想的电极材料。炭气凝胶是唯一具有导电性的气凝胶，可用于超级电容器的电扳材料。有机气凝胶及炭气凝胶具有生物机体相容性，使得其可用于制造人造生物组织、人造器官及器官组件、医用诊断剂及胃肠外给药体系的药物载体。由于炭气凝胶的组成元素(碳)原子序数低，因而用于Cerenkov探测器时优于硅气凝胶材料。
气凝胶是最轻的凝聚态固体材料，具有特殊的纳米结构，从而导致了其独特的性能和用途。而最早关于气凝胶的文献记载可以追溯上世纪30年代，1931年斯坦福大学Kistler教授首次利用溶胶-凝胶方法及超临界干燥技术制备出Si02气凝胶。但由于气凝胶制备过程繁琐而漫长，加之又未发现气凝胶的实际应用价值，当时气凝胶研究并未引起人们的很大兴趣，使这种新型材料的有关研究埋没了将近30多年。自从80年代末R.W.Pekala首次合成出RF（resorcinol formaldehyde）有机气凝胶并由其炭化得到炭气凝胶以来，这一领域的研究几乎被其所在的美国Lawrence Livermore国家实验室所垄断，国内尚未见系统报道。
炭气凝胶的特点：
1、隙率高（80%～98%），具有很强的吸附能力和存储能力；
2、导电性能好，可用于超级电容器的电扳材料；
3、比表面积大（400m2/g～1100m2/g）；
4、密度变化范围广；
5、热导率较低；
6、其比表面积和孔隙率较大，密度较低，导致其强度很低，脆性大。
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