一种纳米多孔碳材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种纳米多孔碳材料的制备方法，包括如下步骤：将模板剂溶解在水溶液里，搅拌均匀得到模板剂水溶液；将间苯三酚和三聚氰胺加入到模板剂水溶液中，完全溶解后加入甲醛，再加入碳酸氢钠溶液，搅拌均匀，形成溶胶；将溶胶密封放入烘箱中热处理，形成凝胶，冷却至室温，得到有机湿凝胶；将有机湿凝胶在山梨醇酐油酸酯的去离子水溶液中反复清洗，之后常压干燥，得到有机干凝胶块体。本方法制备的纳米多孔碳材料密度可调，价格低廉，比表面积高等特性，在电化学领域中起到关键性作用。

Preparation method of nano porous carbon material

The invention relates to a preparation method of nanoporous carbon material, which comprises the following steps: dissolving template in aqueous solution, stirring uniformly to obtain template aqueous solution; adding resorcinol and melamine into template aqueous solution, adding formaldehyde after complete dissolution, and adding sodium bicarbonate solution, stirring uniformly, and forming a shape. The sol is sealed into the oven and heat treated to form gel. The gel is cooled to room temperature and the organic wet gel is obtained. The organic wet gel is cleaned repeatedly in the deionized aqueous solution of sorbitol oleate and then dried at ambient pressure to obtain the organic xerogel block. The nanoporous carbon prepared by this method has the characteristics of adjustable density, low price and high specific surface area, and plays a key role in the electrochemical field.

【技术实现步骤摘要】
一种纳米多孔碳材料的制备方法
本专利技术属于电化学领域，具体涉及一种纳米多孔碳材料的制备方法。
技术介绍
纳米多孔碳材料的研究一直作为科研热点，在电学、光学、热学、声学和电化学等方面表现出优异的物理化学性能。通过溶胶-凝胶过程制备的纳米多孔碳材料在干燥过程中常常借助一定的高温高压设备或低温真空设备，然而这些设备的使用对于实际生产应用中是不利的，它会面临成本较高、生产耗时和危险系数大等困难，难以实现大规模生产。目前，在工业生产过程中常常采用常压干燥技术制备纳米多孔有机干凝胶，这种方法是利用箱式干燥器让凝胶中的溶剂自由挥发，设备简单，制备周期短，成本低廉。中国专利CN102874791A公开了一种分级多孔纳米碳材料的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)制备有机溶胶；(2)将步骤(1)制备的有机溶胶老化制备成有机气凝胶；(3)将步骤(2)获得的有机气凝胶真空恒温干燥；(4)将步骤(3)获得的产物进行一次炭化；(5)将步骤(4)获得的产物球磨；(6)将步骤(5)获得的产物在混酸液中浸泡，然后清洗至pH值为6～7，过滤、真空恒温干燥；(7)将步骤(6)获得的产物加入KOH固体和去离子水混合成糊状，真空恒温干燥；(8)将步骤(7)获得的产物进行二次炭化，但KOH活化过程繁琐、耗时长，会存在局部腐蚀现象，使碳颗粒微球上的微孔和小介孔发生一定的塌缩。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决上述问题而提供一种纳米多孔碳材料的制备方法，纳米多孔碳材料密度可调、比表面积高，同时降低生产成本，在工业生产中价格便宜、方便使用。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种纳米多孔碳材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将模板剂溶解在水溶液里，搅拌均匀得到模板剂水溶液；(2)将间苯三酚和三聚氰胺加入到模板剂水溶液中，完全溶解后加入甲醛，再加入碳酸氢钠溶液，搅拌均匀，形成溶胶；(3)将溶胶密封放入烘箱中热处理，形成凝胶，冷却至室温，得到有机湿凝胶；(4)将有机湿凝胶在山梨醇酐油酸酯的去离子水溶液中反复清洗，之后常压干燥，得到有机干凝胶块体；(5)将有机干凝胶块体在氮气氛下进行碳化，再将碳化好的干凝胶块体进行CO2活化，即得到纳米多孔碳材料。进一步地，步骤(1)所述模板剂选自十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠或十六烷基三甲基溴化铵的一种，模板剂的浓度为0.006-0.028mol/L。进一步地，步骤(2)所述间苯三酚、三聚氰胺和甲醛的摩尔比为0.25-4：1：10。进一步地，步骤(2)所述碳酸氢钠溶液的浓度为0.04-0.06mol/L，所述间苯三酚和三聚氰胺混合与碳酸氢钠的摩尔比为50-300：1。进一步地，步骤(2)形成的溶胶中溶质的质量分数为10-40％。进一步地，步骤(3)烘箱的温度为80-90℃，处理时间为3-5天。进一步地，步骤(4)所述山梨醇酐油酸酯的浓度为5-20g/L，反复清洗4-8次，每天1次。进一步地，步骤(5)所述碳化是在管式炭化炉中以900-1100℃的温度进行2.5-3.5h，并以200-400ml/min的速率持续通入氮气。进一步地，步骤(5)所述CO2活化在900-1100℃下进行2.5-3.5h，并以10-50ml/min的速率持续通入CO2气体。本专利技术方法制备得到的纳米多孔碳材料具有纳米多孔结构，密度为200-800mg/cm3，比表面积为200-1200m2/g。本专利技术选择适量的催化剂(NaHCO3)、复合反应物以及合适的溶质质量分数，采用模板剂合成凝胶，并用去离子水作为溶剂制备有机湿凝胶，在进行常压干燥前选择去离子水替换湿凝胶中多余的杂质，再通过高温碳化以及CO2活化获得密度可调的多孔碳材料。本专利技术选择复合反应物为前驱体以及模板剂制备湿凝胶，同时在常压干燥过程中，选用的模板剂能够缓减水表面张力的影响，改变凝胶骨架的亲水性，减少凝胶内部骨架的塌缩，从而保留了凝胶的纳米多孔结构。为减少水溶剂巨大的表面张力(72mN·m-1)，本专利技术采用模板剂(十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠或十六烷基三甲基溴化铵)加入到去离子水溶液中作为溶剂制备有机湿凝胶，模板剂具有良好的稳定性、表面活性等特性，而且模板剂的亲疏水基团可有效改善材料表面的亲疏水性，模板剂中含有甲基，由于甲基的引入，模板剂在水溶液中使溶液的表面张力减小，在常压干燥过程中使用了模板剂可减少凝胶内部骨架的坍塌，保持凝胶纳米多孔结构。本专利技术对湿凝胶进行常压干燥过程时，干燥前对湿凝胶进行溶剂替换，利用含有表面活性剂的水溶液的表面张力比水溶剂小的特点，采用山梨醇酐油酸酯水溶液替换(清洗)有机湿凝胶，减少湿凝胶在常压干燥过程中的收缩率；再将制备的干凝胶经过碳化、CO2活化过程得到导电性纳米多孔碳材料，这样制备的纳米多孔碳材料可具有密度可调、价格低廉、比表面积高等特性，可以应用在电化学、吸附等领域上。与现有技术相比，本专利技术至少包括以下优点和积极效果：本专利技术的一种廉价制备密度可调、比表面积高的纳米多孔碳材料的方法，采用模板剂加入到去离子水溶液作为溶剂制备有机湿凝胶，起到了扩孔作用，降低了水溶剂对凝胶内部骨架带来的表面张力作用；同时在碳化过程中，可以将模板剂烧掉，不会对纳米多孔碳造成影响，然后再通过CO2活化技术制造微孔。附图说明图1为实施例1纳米多孔碳的SEM图；图2为实施例1纳米多孔碳的氮气吸附-脱附曲线。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例1一种纳米多孔碳材料的制备方法，包括如下步骤：步骤一、配置含有模板剂(十二烷基苯磺酸钠)的水溶液，均匀搅拌，直到模板剂全部溶解，溶液变澄清，浓度为25.00×10-3mol/L；步骤二、将一定量的药品间苯三酚、三聚氰胺加入到含有模板剂的水溶液中，完全溶解后加入甲醛，再加入催化剂碳酸氢钠溶液，搅拌均匀，形成溶胶，其中溶质质量分数为20％，间苯三酚、三聚氰胺和甲醛的摩尔比为4：1：10，碳酸氢钠溶液的浓度为0.05mol/L，间苯三酚和碳酸氢钠的摩尔比为100；步骤三、将溶胶密封放入85℃的烘箱中，处理5天，凝胶后冷却至室温取出样品，制备了有机湿凝胶；步骤四、采用10g/L的山梨醇酐油酸酯加到去离子水中替换有机湿凝胶，每天替换1次，替换5次，接着将有机湿凝胶放于通风干燥处进行常压干燥；步骤五、将适量的有机干凝胶块体放入管式炭化炉中，抽真空后，在氮气氛的保护下，采用1000℃碳化180min；再将碳化好的干凝胶块体进行CO2活化，在CO2气氛下采用1000℃活化180min，其中活化速率在10ml/min-50ml/min范围内。图1为纳米多孔碳的SEM图，图2为纳米多孔碳的氮气吸附-脱附曲线，制备的纳米多孔碳材料具有纳米多孔结构，密度为0.68g/cm3，比表面积为673m2/g。实施例2一种纳米多孔碳材料的制备方法，包括如下步骤：步骤一、在35℃下，配置含有模板剂(十六烷基三甲基溴化铵)的水溶液，均匀搅拌，直到模板剂全部溶解，溶液变澄清，浓度为25.00×10-3mol/L。步骤二、将一定量的药品间苯三酚、三聚氰胺加入到含有模板剂的水溶液中，完全溶解后加入甲醛，再加入催化剂碳酸氢钠溶液，搅拌均匀，形成溶胶，其中溶质质量分数为20％，间苯三酚、三聚氰胺和甲醛的摩尔比为3：2：10，碳酸氢钠溶液的浓度为0.0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将模板剂溶解在水溶液里，搅拌均匀得到模板剂水溶液；(2)将间苯三酚和三聚氰胺加入到模板剂水溶液中，完全溶解后加入甲醛，再加入碳酸氢钠溶液，搅拌均匀，形成溶胶；(3)将溶胶密封放入烘箱中热处理，形成凝胶，冷却至室温，得到有机湿凝胶；(4)将有机湿凝胶在山梨醇酐油酸酯的去离子水溶液中反复清洗，之后常压干燥，得到有机干凝胶块体；(5)将有机干凝胶块体在氮气氛下进行碳化，再将碳化好的干凝胶块体进行CO2活化，即得到纳米多孔碳材料。

【技术特征摘要】
1.一种纳米多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将模板剂溶解在水溶液里，搅拌均匀得到模板剂水溶液；(2)将间苯三酚和三聚氰胺加入到模板剂水溶液中，完全溶解后加入甲醛，再加入碳酸氢钠溶液，搅拌均匀，形成溶胶；(3)将溶胶密封放入烘箱中热处理，形成凝胶，冷却至室温，得到有机湿凝胶；(4)将有机湿凝胶在山梨醇酐油酸酯的去离子水溶液中反复清洗，之后常压干燥，得到有机干凝胶块体；(5)将有机干凝胶块体在氮气氛下进行碳化，再将碳化好的干凝胶块体进行CO2活化，即得到纳米多孔碳材料。2.根据权利要求1所述的一种纳米多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述模板剂选自十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠或十六烷基三甲基溴化铵的一种，模板剂的浓度为0.006-0.028mol/L。3.根据权利要求1所述的一种纳米多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述间苯三酚、三聚氰胺和甲醛的摩尔比为0.25-4：1：10。4.根据权利要求1所述的一种纳米多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述碳酸氢钠溶液的浓度为0.04-0.06mol/L，所述间苯三酚和三聚氰胺混合...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈军，吴学玲，张志华，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31