一种碳气凝胶的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳气凝胶的制备方法，具体步骤是在密闭容器中，将水溶性糖类化合物和水溶性高分子溶于水，并加入有机酸或碱，在140～300℃反应，经脱水得到碳气凝胶。本发明专利技术原料易得，特别是以水为溶剂，以廉价的水溶性糖类化合物作为前驱体，采用一锅法制备低密度、高孔隙率的碳气凝胶，该类材料可用于吸附过滤、催化、能源、电池和半导体等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于碳气凝胶制备

技术介绍
碳气凝胶是一种具有三维纳米网络结构的轻质多孔碳材料，具有独特的物理、化学性质，是最轻的固体凝聚态材料之一，孔隙率高达80%?98%，在光、电、磁等方面均具有独特性能，在储氢、超级电容器、隔热材料、激光聚变靶材料、催化剂和催化剂载体等方面均有广泛应用。目前，制备碳气凝胶的方法主要是溶胶-凝胶法和水热法，溶胶-凝胶法制备的碳气凝胶有经典的RF有机碳气凝胶。碳气凝胶的制备一般分为两步:(1)有机气凝胶的制备；(2)有机气凝胶的碳化。由于RF树脂的化学多样性有限，且间苯二酚和甲醛是有害化学物，此方法制备的凝胶有一定的缺陷。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种原料易得、价格低廉、制备方法简单、绿色无毒的碳气凝胶的制备方法。本专利技术实现过程如下: :在密闭容器中，将水溶性糖类化合物和水溶性高分子溶于水，在140?30(TC反应后，经干燥得到碳气凝胶。上述反应优选的反应温度为160?230°C ;干燥过程采用烘干、冷冻干燥或二氧化碳超临界干燥，优选为冷冻干燥或二氧化碳超临界干燥；干燥后的碳气凝胶进一步在惰性气氛下经过300?1600°C煅烧处理可提高其含碳量，并有利于打开闭塞的孔道，比表面积得到增加；向反应体系中加入有机酸或碱后制备的碳气凝胶弹性较好且紧致。所述的糖类化合物选自单糖、二糖、低聚糖、多糖(包括改性淀粉)，具体来说，选自葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖、水苏糖、棉籽糖、异麦芽酮糖、乳酮糖、低聚果糖、低聚木糖、低聚半乳糖、低聚异麦芽糖、低聚异麦芽酮糖、低聚龙胆糖、大豆低聚糖、低聚壳聚糖、环糊精、淀粉、酸改性淀粉、氧化淀粉、白糊精、黄色糊精、淡黄色糊精、三偏磷酸钠交联淀粉、三氯氧磷交联淀粉、乙酸化淀粉、辛基琥珀酸钠盐淀粉、羟丙基化淀粉醚、环氧乙烷交联淀粉、淀粉胶、淀粉乙酸胶、羧基淀粉胶、耐水淀粉胶、纤维素、半纤维素、糖元、木糖、阿拉伯胶、粘多糖。所述的水溶性高分子选自聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、水解聚丙烯酰胺、丙烯酸和甲基丙烯酸聚合物、聚乳酸、聚马来酸、聚天冬氨酸、聚环氧琥珀酸、甲壳质、聚乙烯醇。上述糖类化合物和水溶性高分子的质量比为1:6?1:0.005，优选为1:1?1:0.05 ;糖类化合物与水的质量比为1:60?1:0.5，优选为1:30?1:1。反应体系中加入有机酸或碱。所述的有机酸或碱选自乙酸、甲酸、乙二酸、丙烯酸、苯甲酸、氨水、吡啶、三乙胺、三乙醇胺、单乙醇胺、四甲基氢氧化铵、二异丙基乙基氨、二乙烯三胺、奎宁。本专利技术碳凝胶的形成机理如下:糖类化合物是含有多羟基醛、多羟基酮以及能水解而生成多羟基醛或多羟基酮的有机化合物，水溶性高分子含有丰富的羧基、羟基或氨基的高聚物，在酸或碱的催化下，经过高温水热反应可形成交联的网状结构，最终水热炭化得到多孔的碳凝胶材料。本专利技术原料易得，制备过程简单，成本低，绿色无毒，制备得到的碳气凝胶纯度高，密度低、孔隙率高；制备本专利技术碳气凝胶过程中，可添加各种金属盐、高分子材料及单质对碳气凝胶进行改性，可用于吸附过滤、催化、能源、电池和半导体材料等领域。【附图说明】图1为实施例1、2、7、8、10、12、19、29制备的碳气凝胶图片； 图2为实施例1制备的碳气凝胶的粉末衍射图； 图3为实施例1制备的碳气凝胶BET吸附曲线图； 图4为实施例1煅烧处理后的碳气凝胶的扫描电镜图； 图5为实施例1未煅烧处理制备的碳气凝胶的透射电镜图； 图6为实施例3制备的碳气凝胶BET吸附曲线； 图7为实施例4制备的碳气凝胶的BET吸附曲线； 图8为实施例10制备的碳气凝胶BET吸附曲线。【具体实施方式】实施例1 将1g葡萄糖和6g聚乙烯吡咯烷酮(K30)溶于60mL水中，将混合液转移至密闭反应釜中，在200°C下反应5小时，反应结束后得到圆柱状凝胶见图1 (a)，凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下1000°C煅烧3小时得到碳气凝胶，其粉末衍射图见图2，为无定型碳材料；BET吸附曲线图见图3，其比表面积为521 m2/g ;扫描电镜图见图4，透射电镜图见图5，可见获得的碳凝胶为粒径20?30nm的纳米碳交联结构。实施例2 将5.5g蔗糖和0.5g聚丙烯酰胺(Mw =2000000?14000000)溶于20mL水中，将混合液转移至密闭反应釜中，在200°C下反应5小时，反应结束后得到圆柱状凝胶见图1 (b)，凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下1000°C煅烧2小时得到碳气凝胶。实施例3 将5g乳糖和0.6g聚丙烯酰胺(Mw:2000000?14000000)溶于15mL水中，再加入1mL乙酸，将混合液转移至密闭反应釜中，在200°C下反应5小时，反应结束后得到圆柱状凝胶，凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下1000°C煅烧4小时得到碳气凝胶，其BET吸附曲线图见图6，其比表面积为490 m2/g。实施例4 将7g水苏糖和Ig聚丙烯酸钠(Mw =5000000?7000000)溶于25mL水中，再加入7mL乙酸，将混合液转移至密闭反应釜中，在180°C下反应7小时，反应结束后得到圆柱状凝胶，经二氧化碳超临界干燥后得到碳气凝胶，其BET吸附曲线图见图7，其比表面积为450 m2/g。实施例5 将Ig异麦芽酮糖和0.05g水解聚丙酰胺溶于5mL水中，再加入4mL丙烯酸,将混合液转移至密闭反应釜中，在190°C下反应6小时，反应结束后得到圆柱状凝胶，凝胶经冷冻干燥后得到碳气凝胶。实施例6 将5g棉籽糖和0.7g聚丙烯酰胺(Mw =2000000?14000000)溶于15mL水中，再加入6mL冰乙酸，将混合液转移至密闭反应釜中，在200°C下反应5小时，反应结束后得到圆柱状凝胶，凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下1000°C煅烧4小时得到碳气凝胶。实施例7 将5g土豆淀粉和0.8g丙烯酸和甲基丙烯酸聚合物溶于30mL水中，再加入5mL浓氨水(浓度28%)将混合液转移至密闭反应釜中，在170°C下反应10小时，反应结束后得到圆柱状凝胶见图1 (C)，经冷冻干燥后得到碳气凝胶。实施例8 将7g低聚壳聚糖和0.8g聚马来酸溶于15mL水中，再加入4mL浓氨水(浓度28%)将混合液转移至密闭反应釜中，在170°C下反应10小时，反应结束后得到圆柱状凝胶见图1(d)，凝胶经二氧化碳超临界干燥后在氮气气氛下1000°C煅烧2小时得到碳气凝胶。实施例9 将5g P-环糊精和Ig聚马来酸溶于25mL水中，再加入3.5mL 二乙烯三胺，将混合液转移至密闭反应釜中，在240°C下反应3.5小时，反应结束后得到圆柱状凝胶，凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下800°C煅烧5小时得到碳气凝胶。实施例10 将4g β-环糊精和1.5g聚乙烯吡咯烷酮(K30)溶于25mL水中，再加入3.5mL浓氨水(浓度28%)将混合液转移至密闭反应釜中，在230°C下反应4小时，反应结束后得到圆柱状凝胶见图1 (e)，凝胶经二氧化碳超临界干燥后在氮气气氛下800°C煅烧5小时得到碳气凝胶，其BET吸附曲线图见图8，其比表面积为430 m2/g。实施例11 将3g白糊精和1.5g聚丙烯酰胺(Mw =2000000?14000000)溶于20mL水中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳气凝胶的制备方法，其特征在于：在密闭容器中，将水溶性糖类化合物和水溶性高分子溶于水，在140～300℃反应后，经干燥得到碳气凝胶。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张立娟，谢钢，杨奇，陈三平，惠俊峰，步怀天，王尧宇，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61