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碳納米纖維材料物理性能優(yōu)異，具有高比表面積、優(yōu)異的機(jī)械性能及高電導(dǎo)率，在能源、催化、環(huán)境、聚合物等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前針對特定應(yīng)用的功能化碳納米纖維材料的理性設(shè)計、合成及性能優(yōu)化，仍然是制約其實(shí)際應(yīng)用的瓶頸。特別是廉價、宏量、可持續(xù)地制備碳納米纖維氣凝膠尚未實(shí)現(xiàn)。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏研究團(tuán)隊以一種催化熱解的方法來改變木質(zhì)納米纖維素的熱解過程，首次以廉價的木材為原材料，制備了高質(zhì)量的超細(xì)碳納米纖維氣凝膠材料，該成果以“Wood-Derived Ultrathin Carbon Nanofiber Aerogels”為題，發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》雜志上。

木質(zhì)纖維素材料廣泛存在于自然界的植物中，由于其來源廣、低成本且對環(huán)境友好，是一種理想的制備碳納米纖維氣凝膠的前驅(qū)物。

但是，由于木質(zhì)纖維素納米纖維極小的尺寸使其在熱解制備碳纖維過程中劇烈收縮而無法保持纖維的形態(tài)，迄今為止尚沒有使用木材為原材料成功制備碳納米纖維氣凝膠的先例。

為此，研究人員提出了一種催化熱解的方法，通過使用對甲苯磺酸催化木質(zhì)納米纖維素在熱解前期迅速脫水，并改變其熱解過程和中間產(chǎn)物，使得納米纖維素在熱解后具有高碳產(chǎn)率的同時還能夠保持良好的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。該催化熱解轉(zhuǎn)化方法可將自然界中廉價豐富的前驅(qū)物材料轉(zhuǎn)化為高附加值的碳納米纖維材料，對于發(fā)展可再生材料的綠色化學(xué)合成具有指導(dǎo)意義。

超細(xì)碳納米纖維氣凝膠材料的制備過程

由該方法制備的超細(xì)碳納米纖維平均直徑僅為6 nm，具有很高的電導(dǎo)率和比表面積。因具有獨(dú)特的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，該碳納米纖維氣凝膠可以直接用于組裝無需粘結(jié)劑的超級電容器，并且在純碳超級電容器材料中表現(xiàn)出優(yōu)異的電容性能。這種新型碳納米纖維氣凝膠還可應(yīng)用于水體凈化、電催化劑載體和電池電極材料等中。