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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(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)地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)宏研究團(tuán)隊(duì)以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。

木質(zhì)纖維素材料廣泛存在于自然界的植物中，由于其來(lái)源廣、低成本且對(duì)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(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碳產(chǎn)率的同時(shí)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(jià)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(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。

超細(xì)碳納米纖維氣凝膠材料的制備過(guò)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(wú)需粘結(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中。