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告别燃料电池中的粉末状催化剂，研究者首次制备出3D蜂窝状结构的碳气凝胶，促进反应过程一体化，让催化剂更“听话”。（图片来源：华南理工大学教授彭新文课题组）

在华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，研究人员正小心翼翼地从透明塑料壳中取出一块黑乎乎的材料，它的质地看起来像一块烤焦的蛋糕，但每立方厘米的质量只有几毫克。当人走过，切“蛋糕”时产生的小碎屑会在空气中漂浮一会儿，再缓缓降落。

这黑乎乎的“蛋糕”其实是实验室成员、华南理工大轻工明升体育app与工程学院教授彭新文团队新制备出的碳气凝胶。将其应用在锌空电池中，每立方厘米20毫安的大电流密度下，电池比容量可达648毫安时/每克。

本月，相关成果发表于《先进材料》，彭新文告诉《明升官网明升体育app报》，这种碳气凝胶的骨架源自纸张中的纤维。在微观层面，研究者对用于造纸的木质纤维进行结构设计和调变，为这种古老的生物质找到了一片新天地。

缘起生物质 碳气凝胶跨界电池应用

彭新文课题组的研究方向是高性能生物质材料与纸基材料。纸基材料即木材、秸秆等生物质，它们的主要成分是纤维素和木质素，将纤维直径控制在纳米层级，就可以得到柔性、长径比、机械性能俱佳的纳米纤维素，与石墨烯、一维碳纳米管等一道，被研究者用作基础构件材料。

在本月发表的研究中，彭新文课题组开发出的碳气凝胶就是以纳米纤维素为骨架。论文第一作者、课题组已毕业硕士生吴坤泽告诉《明升官网明升体育app报》，因其柔软多孔的特性，碳气凝胶又被称为碳泡沫。当碳泡沫与石墨烯材料相复合，就表现出优越的基础力学性能。“机械强度很高，又有很好的水分散性。”

实际上，课题组专注碳气凝胶研究已有数年。起初，彭新文等人用这种材料制备出柔性压力传感器，搭载于可穿戴设备的电子器件上，可灵敏监测电明升手机信号。在制备过程中，研究团队发现，掺杂氮和金属等物质后，碳气凝胶就有了催化活性，可作为氧还原和氧析出双功能催化剂。

“这实际上是燃料电池的工作原理”，彭新文说，结合先前在燃料电池领域的研究背景，她与课题组其他成员开始思考，如何设计将碳气凝胶用作空气电池的阴性电极。

“具有孔道结构的碳气凝胶，本身就有良好的导电性和机械稳定性，对其进行调控，给它一些催化活性，就能让这种材料既充当催化剂，同时又发挥出导电载体的作用。”吴坤泽表示。

自2013年以来，该领域内的许多研究团队都在着手碳气凝胶的研发，这种热稳定性和导电性俱佳的材料孔隙率可达80%-99%。具有波浪片层结构、仿生结构的碳气凝胶在此期间相继问世，其制备方法和性能也在不断改善。

但此之前，并未有将纤维素碳气凝胶用于空气电极的研究手机版。若想实现这一目标，意味着碳气凝胶既要维持高孔隙率、强机械性能，还要发挥稳定、高效的电催化性能。

一石三鸟 冷冻浇铸让材料“听话”

过去，制备碳气凝胶的方法包括水热法、明升手机气相沉积法、模板法等，但它们往往无法在可控性和低成本之间取得平衡。为此，碳气凝胶的研究者盯上了陶瓷制造领域的老方法——冷冻浇铸法。

“碳气凝胶要有丰富的孔隙结构，冷冻浇铸法可以保证这一点，而且它的经济性很好，纳米纤维素等生物质材料也能和冷冻条件相配合。”吴坤泽介绍。

实验中，研究组以纳米纤维素和石墨烯为碳骨架，通过控制冷冻过程中的温度梯度，让作为衬底的水溶液按固定方向凝为冰晶。形成的冰晶衬底和骨架仿佛千层饼般相互交叠，此时进行冻干处理，冰晶升华消失，再对材料进行碳化处理，最终，有层间距、呈堆积结构的碳气凝胶就诞生了。

高孔隙率和机械性能有了保证，碳气凝胶的催化性能从何而来？前期准备时，研究者会在前驱液中添加氯化铁和植酸的耦合物，同时添加氨基葡萄糖作为小分子氮源，从而实现铁金属的负载和氮磷的掺杂修饰，确保碳气凝胶具备催化性能。

“掺杂了氮、磷、铁后，碳气凝胶制成的电极可以自行完成氧析出和氧还原的催化回路，形成电子通路，在与合作者进行了大量的实验尝试与验证后，他们发现这其实很好的电催化剂。”彭新文告诉《明升官网明升体育app报》。

迄今为止，燃料电池中，由贵金属铂、钌等制成的催化剂大多被研磨成粉末，再添加到碳布、不锈钢网等导电载体上。

“这个过程中有一个问题，如果粉末堆叠得太多，导电载体沾不住，催化剂会在反应过程中脱落，引起电池死火，催化剂也不再起作用。”彭新文解释，如此一来对电池的工作效率影响非常大。

但碳气凝胶打破了这一既有套路，实现了“一石三鸟”——自身集纳了电极、导电载体和催化剂三种功能，内部的金属和碳形成了稳定明升手机键，既能让催化剂在自己的工作岗位上稳定发挥作用，又不会让电极层裂开。

采访时，彭新文表示，驾驭这种材料其实并不难。“掌握了一定性能调控技术的话，它还是很‘乖’的。”

找对发力点 进入寻常百姓家

“这种材料具有3D垂直、管壁孔道互通的蜂窝状结构，有利于气体扩散、电解液浸润，而且有良好的柔性和优异的电明升手机储能性能。”

大连工业大学教授、纤维素与可再生资源材料领域最高奖“安塞姆佩恩奖”获得者孙润仓在点评时提到，未来，这项工作有望为柔性电子器件提供高性能电极材料，且为生物质转化为碳材料、电明升手机储能应用提供新方法。

在彭新文看来，为电车、发电机等大型设备功能，并非所有电池的最终归宿。基于成本低、环境友好等特点，由生物质材料制成的电池可以在柔性电子器件中绽放异彩，融入日常生活中的各种细节。

“未来，我们还会继续把材料厚度降低，用于可充放电的手表等可穿戴设备。”彭新文指出，由于此类设备对续航能力没有苛刻要求，“只要性价比合适，就可以去开发它。”未来，可更换的、廉价的生物质碳材料制成的电极，最终会走向工业化应用。

轻、薄、软，基于纳米纤维素制成的碳气凝胶，看似温和、存在感“低”，却被研究者赋予了多种可能。未来，纳米纤维素不仅会在功能造纸领域发挥所长，由此制成的薄膜、粒子也可在能源、生物明升手机版、分子影像等领域派上用场。

就像小块的碳气凝胶，即便先在空中飘起，最终仍会落地。在彭新文看来，做科研也是一样，“做科研不能高高飘在云端，最终还是要落地、要应用，这是我们做研究的初衷。”（来源：明升官网明升体育app报 任芳言）

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