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  碳納米纖維材料因具有高的比表面、優(yōu)異的機(jī)械性能及高電導(dǎo)率等優(yōu)異的物理性質(zhì)而受到廣泛關(guān)注，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(duì)特定應(yīng)用的功能化碳納米纖維材料的理性設(shè)計(jì)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(jià)、宏量、可持續(xù)制備碳納米纖維氣凝膠尚未實(shí)現(xiàn)。

  近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏教授研究團(tuán)隊(duì)提出了一種催化熱解的方法來(lái)改變木質(zhì)納米纖維素的熱解過(guò)程，首次以廉價(jià)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(guó)應(yīng)用化學(xué)》雜志上（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 7085-7090）。論文的第一作者是博士生李思成。

基于木質(zhì)納米纖維素制備超細(xì)碳納米纖維氣凝膠材料

  纖維素材料廣泛存在于自然界的植物中，由于其廣泛的來(lái)源、低成本以及對(duì)環(huán)境的友好，木質(zhì)纖維素材料是一種理想的制備碳納米纖維氣凝膠的前驅(qū)物。但是，因?yàn)槟举|(zhì)纖維素納米纖維極小的尺寸使其在熱解制備碳纖維過(guò)程中劇烈收縮而無(wú)法保持纖維的形態(tài)，迄今為止尚沒(méi)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(guò)使用對(duì)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(guò)程和中間產(chǎn)物，使得納米纖維素在熱解后具有高的碳產(chǎn)率的同時(shí)，還能夠保持很好的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。該催化熱解轉(zhuǎn)化方法可將廉價(jià)豐富的自然界中的前驅(qū)物材料轉(zhuǎn)化為高附加值的碳納米纖維材料，對(duì)于發(fā)展可再生材料的綠色化學(xué)合成具有指導(dǎo)意義。

  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（710.9 S m-1）和比表面積 (553~689 m2 g-1)。因其獨(dú)特的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和優(yōu)異的導(dǎo)電性能以及高的比表面積，該研究團(tuán)隊(duì)研制的由木材制備的碳納米纖維氣凝膠可以直接用于組裝無(wú)須粘結(jié)劑的超級(jí)電容器，并且在純碳超級(jí)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。論文發(fā)表后，被學(xué)術(shù)媒體ScienceDaily、phys.org、Wiley NewsRoom等以“Wood to supercapacitors”為題作為研究亮點(diǎn)報(bào)道。

  近年來(lái)，該團(tuán)隊(duì)圍繞著碳納米纖維材料合成、功能化及應(yīng)用持續(xù)開(kāi)展了一系列的研究，發(fā)展了模板指引的水熱碳化法及直接碳化生物質(zhì)細(xì)菌纖維素的方法宏量制備碳納米纖維氣凝膠材料，以此類材料為基礎(chǔ)通過(guò)合理的化學(xué)修飾功能化方法制備出了系列功能納米材料，并探索了這些材料在環(huán)境、能源、催化及聚合物復(fù)合物等領(lǐng)域的應(yīng)用（Acc. Chem. Res. 2013, 46, 1450-1461; Acc. Chem. Res. 2016, 49, 96-105）。

  最近，該研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)邀為《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》撰寫(xiě)題為“Emerging Carbon Nanofiber Aerogels: Chemosynthesis versus Biosynthesis”的評(píng)述論文（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, DOI: 10.1002/anie.201802663），系統(tǒng)分析和比較了該團(tuán)隊(duì)發(fā)展的化學(xué)轉(zhuǎn)化法和生物法制備碳納米纖維材料的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)了這兩種合成路線制備的碳納米纖維材料的理化性質(zhì)、功能化的方法和應(yīng)用等方面取得的系列進(jìn)展，提出了今后有關(guān)碳納米纖維氣凝膠材料研究的建議和今后值得關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題。

  上述工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金、國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心、合肥大科學(xué)中心卓越用戶基金的資助。

  論文鏈接：

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201802753 

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201802663