一种具有超高比表面积的碳气凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种碳气凝胶，所述碳气凝胶具有由碳颗粒堆积形成的三维网络结构；所述碳颗粒表面具有微孔结构；所述碳气凝胶具有介孔结构。本发明专利技术制备的碳气凝胶呈现出均匀的介孔结构，三维网络的立体感强，空间网络结构是由碳小球堆积而成，小球之间的排布与连接非常紧密，整体结构完整。而且碳气凝胶不仅具有碳小球堆积形成的介孔结构，碳小球自身还具有大量的微孔结构，从而极大的增强了碳气凝胶的比表面积，BET比表面积能够达到2100m2/g左右。本发明专利技术采用常压干燥法，无需溶剂交换，得到了的碳气凝胶，在催化剂负载，物质吸附剂，储能材料等领域应用广泛。

Carbon aerogel with super high specific surface area and preparation method thereof

The invention provides a carbon aerogel, which has a three-dimensional network structure formed by stacking carbon particles. The carbon particle surface has a microporous structure, and the carbon aerogel has a mesoporous structure. The carbon aerogel prepared by the invention exhibits a homogeneous mesoporous structure. The three-dimensional network has strong three-dimensional sense. The space network structure is made up of carbon balls, and the arrangement and connection between balls are very close, and the overall structure is complete. Moreover, carbon aerogels not only have mesoporous structure formed by carbon ball accumulation, but also have a large number of microporous structure, which greatly enhances the specific surface area of carbon aerogels, and the specific surface area of BET can reach 2100m2/g. The invention adopts atmospheric drying method and does not need solvent exchange to obtain carbon aerogels, which is widely applied in the fields of catalyst loading, material adsorbent, energy storage material and so on.

【技术实现步骤摘要】
一种具有超高比表面积的碳气凝胶及其制备方法
本专利技术涉及气凝胶
，涉及一种碳气凝胶及其制备方法，尤其涉及一种具有超高比表面积的碳气凝胶及其制备方法。
技术介绍
气凝胶，又称为干凝胶，是一种固体物质形态，由胶体粒子或高聚物分子相互聚结构成纳米多孔网络结构，并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料，其具有超低密度、高比表面积、高孔隙率和优异隔热性等性能，在超级隔热材料、隔音材料、粒子探测器、低介电常数气凝胶薄膜、惯性靶向材料等方面具有广泛应用。气凝胶的种类很多，有硅系，碳系，硫系，金属氧化物系或金属系等等，其中碳气凝胶是一种特殊的凝聚态功能材料，由许多相互连接且均匀的小颗粒组成，具有明确的介孔结构。碳气凝胶具有优异的各项性能，高孔隙率(>95％)，高比表面积(>400m2/g)，超强的导电性，高导热能力，足够的耐腐蚀型，低热膨胀系数、超低密度和弹性，这些卓越的特性使得其成为一种被广泛应用的功能材料。碳气凝胶在储能材料，催化剂载体材料以及环境中有害物质吸附材料等领域有着重要的应用价值和地位。高比表面和高导电性的特性使得其在储能材料和器件，尤其是锂离子电池正负极材料，电化学超级电容器上备受青睐。此外，高孔隙率和高比表面积、无毒无害以及生物相容性好等特点又使碳气凝胶在吸附剂材料，催化剂载体和药物载体等方面得到了广泛的应用和认可，具有很好的应用前景和巨大的可开发潜力。因而，近些年来关于制备碳气凝胶的研究也日益增多，其中GloriaRasines团队利用间苯二酚、甲醛和三聚氰胺作为聚合单体，以碳酸钠作为碱性催化剂，以促进交联反应，得到了酚醛聚合物凝胶。然后采用超临界二氧化碳干燥并高温碳化处理得到碳气凝胶。JunLi等人利用间苯二酚与甲醛溶液，在碳酸钠的催化作用下得到酚醛聚合物，然后用低表面张力的丙酮进行溶剂交换，在常压条件下干燥并高温碳化得到了碳气凝胶。该碳气凝胶的比表面积为400～600m2/g。但所制备得到的碳气凝胶的比表面积普遍不够高，不能满足一些需要极高负载量的领域的需求。而且目前碳气凝胶的干燥方法普遍采用超临界干燥方法，例如KatsuhikoMuroyama团队利用间苯二酚与甲醛作为聚合单体，碳酸钾作为催化剂，在二氧化碳超临界干燥后高温碳化，得到了碳气凝胶。GeneDresselhaus团队同样利用间苯二酚与甲醛作为单体，碳酸钠作为碱催化剂，利用乙醇作为超临界流体，干燥并高温碳化得到碳气凝胶。超临界干燥方法制备具有所需时间短，理论上能够避免干燥过程中的毛细管压力，但是同样也存在许多弊端，如需要高温高压以达到所用物质的超临界流体状态，对仪器设备的要求比较高，从而大大提高了制备成本。同时高温高压的条件下，操作的危险程度也相应提高。因此，常压干燥方法制备碳气凝胶已经成为科学家们研究的重点。中国专利公开号CN1891622报道了一种常压碳气凝胶的制备方法，为了实现常压干燥下不引起孔隙的收缩和结构破坏，采用低表面张力的丙酮、丁酮、环己烷等溶剂进行充分的溶剂交换，以替换孔隙中的甲醛等流体，从而实现了常压干燥制备碳气凝胶，但是该常压干燥方法需要大量的溶剂进行交换，大大增加了成本和原料的浪费。而且常压干燥所制备得到的碳气凝胶的比表面积仍然不高。因此，如何找到一种简单的制备方法，得到碳气凝胶，克服上述缺陷，得到超高比表面积的碳气凝胶，拓宽碳气凝胶推广前景，已成为业内诸多应用研究人员广泛关注的焦点之一。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种碳气凝胶及其制备方法，特别是一种基于碱性化合物活化造孔的具有超高比表面积的碳气凝胶，本专利技术采用了碱性化合物活化造孔的方法，常压制备了碳气凝胶，过程简单易于控制、成本低廉，便于推广利用，而且得到了具有超高比表面积的碳气凝胶，有望在催化剂负载，物质吸附剂，储能材料等领域应用广泛。本专利技术提供了一种碳气凝胶，所述碳气凝胶具有由碳颗粒堆积形成的三维网络结构；所述碳颗粒表面具有微孔结构；所述碳气凝胶具有介孔结构。优选的，所述碳气凝胶包括酚醛树脂基碳气凝胶；所述碳气凝胶的比表面积为1900～3000m2/g；所述微孔的孔径为0.01～1nm；所述碳颗粒的粒径为16～25nm。优选的，所述碳颗粒堆积具体为相互连接的碳颗粒堆积；所述介孔的孔径为2～45nm；所述碳气凝胶由有机凝胶经常压干燥、碳化和造孔后得到。优选的，所述碳气凝胶的孔隙率为85％～98％；所述碳气凝胶中微孔的比例为55％～85％；所述碳气凝胶中介孔的比例为15％～45％。本专利技术提供了一种碳气凝胶的制备方法，包括以下步骤：1)将酚类化合物、醛类化合物、有机碱性催化剂和溶剂进行混合后，在密闭条件下进行老化，得到固体产物；2)将上述步骤得到的固体产物经过烘干后，得到酚醛聚合物；3)将上述步骤得到的有机凝胶经过碳化处理和活化造孔后，得到碳气凝胶。优选的，所述酚类化合物包括间苯二酚、苯酚、甲酚、二甲基酚、壬基苯酚、双酚A、双酚F、丙基苯酚和乙基苯酚中的一种或多种；所述醛类化合物包括一元醛；所述有机碱性催化剂包括非金属胺类化合物；所述溶剂包括乙醇、甲醇、异丙醇、丙醇、N-甲基吡咯烷酮和丙酮中的一种或多种。优选的，所述酚类化合物与醛类化合物的摩尔体积比为1mol：(20～600)mL；所述有机碱性催化剂与酚类化合物的质量比为(0.001～0.4)：1；所述有机碱性催化剂与所述溶剂的质量体积比为1g：(0.05～30)L；所述醛类化合物包括甲醛、乙醛、丙醛、丁醛、糠醛和戊醛中的一种或多种；所述有机碱性催化剂包括六次甲基四胺、三乙胺、乙二胺、尿素、三聚氰胺和吡唑中的一种或多种。优选的，所述步骤1)具体为：11)将酚类化合物和醛类化合物进行预混合，得到溶液；12)向上述步骤得到的溶液中，依次加入有机碱性催化剂和溶剂再次混合，然后在密闭条件下进行老化，得到固体产物；所述预混合的温度为20～80℃；所述预混合的时间为5～120min；所述再次混合的温度为20～80℃；所述再次混合的时间为10～90min；所述老化的温度为30～90℃；所述老化的时间为1～10天。优选的，所述烘干的温度为30～150℃；所述烘干的时间为1～15天；所述碳化处理的温度为500～1200℃；所述碳化处理的时间为1.5～6h；所述碳化处理的气氛为氮气和/或惰性气体；所述活化造孔的温度为700～1200℃；所述活化造孔的时间为0.5～8h；所述活化造孔的方式为采用碱性化合物进行活化造孔。优选的，所述碱性化合物包括氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化镁、草酸钾和草酸钠中的一种或多种；所述采用碱性化合物进行活化造孔的具体步骤为：将碳气凝胶浸泡在碱性化合物溶液中，再在保护性气体的条件下，进行热处理后，得到碳气凝胶；所述碱性化合物溶液的浓度为0.1～2.5mol/L；所述浸泡的时间为5～15h；所述热处理的温度为700～1200℃；所述热处理的时间为0.5～8h。本专利技术提供了一种碳气凝胶，所述碳气凝胶具有由碳颗粒堆积形成的三维网络结构；所述碳颗粒表面具有微孔结构；所述碳气凝胶具有介孔结构。本专利技术还提供了一种碳气凝胶的制备方法。与现有技术相比，本专利技术针对现有的碳气凝胶存在比表面积低的问题，而且常用的超临界法，需要高温高压以达到所用物质的超临界流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳气凝胶，其特征在于，所述碳气凝胶具有由碳颗粒堆积形成的三维网络结构；所述碳颗粒表面具有微孔结构；所述碳气凝胶具有介孔结构。

【技术特征摘要】
1.一种碳气凝胶，其特征在于，所述碳气凝胶具有由碳颗粒堆积形成的三维网络结构；所述碳颗粒表面具有微孔结构；所述碳气凝胶具有介孔结构。2.根据权利要求1所述的碳气凝胶，其特征在于，所述碳气凝胶包括酚醛树脂基碳气凝胶；所述碳气凝胶的比表面积为1900～3000m2/g；所述微孔的孔径为0.01～1nm；所述碳颗粒的粒径为16～25nm。3.根据权利要求1所述的碳气凝胶，其特征在于，所述碳颗粒堆积具体为相互连接的碳颗粒堆积；所述介孔的孔径为2～45nm；所述碳气凝胶由有机凝胶经常压干燥、碳化和造孔后得到。4.根据权利要求3所述的碳气凝胶，其特征在于，所述碳气凝胶的孔隙率为85％～98％；所述碳气凝胶中微孔的比例为55％～85％；所述碳气凝胶中介孔的比例为15％～45％。5.一种碳气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将酚类化合物、醛类化合物、有机碱性催化剂和溶剂进行混合后，在密闭条件下进行老化，得到固体产物；2)将上述步骤得到的固体产物经过烘干后，得到酚醛聚合物；3)将上述步骤得到的有机凝胶经过碳化处理和活化造孔后，得到碳气凝胶。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述酚类化合物包括间苯二酚、苯酚、甲酚、二甲基酚、壬基苯酚、双酚A、双酚F、丙基苯酚和乙基苯酚中的一种或多种；所述醛类化合物包括一元醛；所述有机碱性催化剂包括非金属胺类化合物；所述溶剂包括乙醇、甲醇、异丙醇、丙醇、N-甲基吡咯烷酮和丙酮中的一种或多种。7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述酚类化合物与醛类化合物的摩尔体积比为1mol：(20～600)mL；所述有机碱性催化剂与酚类化合物的质量比为(0.00...

【专利技术属性】
技术研发人员：张和平，潘月磊，程旭东，龚伦伦，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34