中科大俞書宏Angew. Chem. Int. Ed.綜述：新興碳納米纖維氣凝膠：化學合成與生物合成

【引言】

氣凝膠是一類多孔輕質材料，通常是由溶膠-凝膠方法制得。氣凝膠的獨特結構使其具有許多迷人的物理特性，諸如超低密度、高表面積、優異的傳質性能和低導熱性等。目前包括金屬氧化物、聚合物、碳化物以及金屬等都已經能夠用于制備氣凝膠材料，其中基于聚合物的碳氣凝膠尤為重要。碳氣凝膠能夠實現高反應表面積和通向這種表面傳輸路徑的理想組合，因而在非均相催化劑載體、吸附劑、絕緣材料以及電極材料等方面具有重要的應用前景。近年來，碳納米管和石墨烯的發現極大地促進了聚合物基碳氣凝膠的發展和應用。碳納米管和石墨烯氣凝膠都可以通過化學氣相沉積和分散體系凝膠化的方法來進行制備，但是前驅體昂貴以及合成需要涉及復雜設備限制了這些氣凝膠的實際應用。因此，開發更簡單和經濟的途徑（例如利用碳水化合物、纖維素以及蛋白質等可再生資源為原料）來制備納米碳氣凝膠成為必然的發展趨勢。

【成果簡介】

中國科學技術大學俞書宏教授（通訊作者）在Angew. Chem. Int. Ed. 上發表了題為“Emerging Carbon Nanofiber Aerogels: Chemosynthesis versus Biosynthesis”的綜述文章，集中闡述了新興碳納米纖維氣凝膠的化學合成與生物合成方法。首先展示了如何通過化學合成和生物合成的方法來制備碳納米纖維（CNF）氣凝膠，然后討論了兩種制備CNF氣凝膠方法的合成特點，集中在結構和功能的多樣性以及CNF氣凝膠的物理化學性質和潛在應用。此外，作者還展示了基于可再生前驅體的CNF氣凝膠與CNT和石墨烯氣凝膠相比在諸多應用中具有競爭優勢。

【圖文導讀】

圖1 制備CNF氣凝膠的兩種策略示意圖：化學合成與生物合成

圖2 CNF氣凝膠的化學合成

(a) 合成過程的示意圖；

(b) 大尺寸整體濕凝膠的照片；

(c) 具有3D納米纖維網絡的HTC-CNF氣凝膠的SEM圖像；

(d) 各種直徑的HTC-CNF的SEM圖像；

(e) 在不同溫度下HTC-CNFs直徑與HTC反應時間的關系。

圖3 CNF氣凝膠的生物合成

(a) BC的生物來源以及原纖維形成的示意圖；

(b) 在實驗室中由醋桿菌屬細菌產生的BC薄膜；

(c) 在工廠里工業規模生產的BC薄膜；

(d) BC氣凝膠的SEM圖像；

(e) BC-CNF氣凝膠的SEM圖像。

圖4 CNF氣凝膠衍生的納米復合材料

(a) N和S原子摻雜的BC-CNF氣凝膠的元素面掃描圖；

(b) Fe和N原子摻雜的HTC-CNF氣凝膠的元素面掃描圖；

(c) Ag/HTC-CNFs納米復合材料的形貌；

(d) MoS₂/HTC-CNFs納米復合材料的形貌；

(e) MnO/HTC-CNFs納米復合材料的形貌；

(f) SnO₂/BCCNFs納米復合材料的形貌；

(g) Mo₂C/N-BC-CNFs納米復合材料的形貌；

(h) Mo₂Se/BC-CNFs納米復合材料的形貌。

圖5 CNF 氣凝膠的總結和展望

【小結】

在這個綜述中，作者主要介紹了HTC-CNFs和BC-CNFs兩種新興的CNF氣凝膠，它們可以通過化學合成和生物合成的策略制備出來，而且兩種合成方法都適用于大規模CNF氣凝膠的生產。在化學合成制備的CNF氣凝膠方面，尋找低成本和環保的模板以取代目前昂貴的TeNWs對于可持續合成非常重要。而與HTC-CNF的可控化學合成相比，BC-CNFs氣凝膠的結構參數更加難以有效控制，這是由于在微生物發酵過程中對BC微結構的操作是十分有限的。展望未來，作者指出化學合成與生物合成兩種方法的有機結合有望為CNF氣凝膠的研究提供新的機遇。此外，CNF氣凝膠基功能材料的性能需要通過設計獨特的結構、改變其物理性質以及控制合適的成分等來進一步提升。

文獻鏈接：Emerging Carbon Nanofiber Aerogels: Chemosynthesis versus Biosynthesis?(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, DOI: 10.1002/anie.201802663)

【團隊介紹】

俞書宏教授目前是中國科學技術大學教授、博士生導師、長江學者、國家杰出青年基金獲得者。俞書宏教授團隊長期從事無機材料的仿生合成與功能化的研究。在聚合物和有機小分子模板對納米結構單元的尺寸和維度及取向生長的調控規律、仿生多尺度復雜結構材料的合成及構效關系研究方面取得多項創新成果。近年來，在面向應用的重要納米結構單元的宏量制備、宏觀尺度納米組裝體的制備與功能化、新型納米材料的合成設計及能源轉換材料等方面的研究取得了重要進展。

本文由材料人生物學術組biotech供稿，材料牛審核整理。

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