一种分级多孔纤维素基炭气凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种分级多孔纤维素基炭气凝胶的制备方法，属于炭气凝胶技术领域。本发明专利技术以来源广泛的微晶纤维素为原料，廉价易得，生产成本低，满足可持续发展要求；本发明专利技术提供的制备方法简单，环境友好，符合绿色制备要求，适用于规模化生产；本发明专利技术可以通过控制活化条件，实现对分级多孔炭气凝胶比表面积、孔径分布的控制，所得分级多孔纤维素基炭气凝胶具有高比表面积和高孔隙率，且内部呈多级分孔状态。实施例表明，本发明专利技术提供的分级多孔纤维素基炭气凝胶比表面积可达1123m

A hierarchical porous cellulose based aerogel and its preparation method

The invention provides a preparation method of grading porous cellulose based carbon aerogels, which belongs to the technical field of carbon aerogels. The invention takes microcrystalline cellulose with wide sources as raw material, is cheap and easy to obtain, and has low production cost and meets the requirements of sustainable development. The preparation method is simple and environment-friendly, and meets the requirements of green preparation, and is suitable for large-scale production. Grade porous cellulose based carbon aerogels have high specific surface area and high porosity, and the interior is porous. The embodiment shows that the specific surface area of the grading porous cellulose based carbon aerogel provided by the invention can reach 1123m

【技术实现步骤摘要】
一种分级多孔纤维素基炭气凝胶及其制备方法
本专利技术涉及炭气凝胶
，特别涉及一种分级多孔纤维素基炭气凝胶及其制备方法。
技术介绍
炭气凝胶是一种轻质、多孔、非晶态、块体纳米炭材料，兼具了气凝胶的高孔隙率、高比表面积的特点，以及炭材料的导电、耐高温、耐酸碱以及可降解等优点，在催化剂载体、吸附材料以及电化学等领域具有潜在的应用价值。分级多孔炭气凝胶的制备以及炭气凝胶孔隙结构的控制一直是科研研究重点。目前传统制备炭气凝胶的原料主要为酚醛预聚体类物质，其合成过程复杂，难以满足工业化生产；同时在制备纳米分级多孔炭气凝胶中，通常采用碱活化与磷酸活化等工艺，成本高且对炭化设备具有腐蚀性，不利于产业化开发，且碱活化与磷酸活化并不能很好的控制炭气凝胶的孔隙结构。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术目的在于提供一种分级多孔纤维素基炭气凝胶及其制备方法。本专利技术提供的分级多孔纤维素基炭气凝胶的制备方法简单，环境友好，符合绿色制备要求，适用于规模化生产，得到的分级多孔纤维素基炭气凝胶具有高比表面积和高孔隙率，且内部呈多级分孔状态。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：一种分级多孔纤维素基炭气凝胶的制备方法，包括以下步骤：(1)将氢氧化钠、尿素与水混合后依次进行冷冻、解冻处理，得到预处理液；(2)向所述预处理液中依次加入微晶纤维素和环氧氯丙烷，搅拌后静置，得到初级凝胶；(3)对所述初级凝胶水洗后依次进行预冷冻和冷冻干燥，得到纤维素基气凝胶；(4)对所述纤维素基气凝胶进行热处理，得到分级多孔纤维素基炭气凝胶；所述热处理包括三个阶段，依次为预炭化阶段、炭化阶段和活化阶段；所述预炭化阶段的保护气氛为惰性气体，温度为200～400℃，保温时间为0.5～3h；所述炭化阶段的保护气氛为惰性气体，温度为800～1100℃，保温时间为0.5～3h；所述活化阶段的保护气氛为活化气体，温度为800～1100℃，保温时间为0.5～3h。优选的，所述步骤(1)中氢氧化钠、尿素与水的质量比为(5～8):(9～14):(78～84)。优选的，所述步骤(1)中冷冻的温度为-5～-12℃，冷冻的时间为12～24h。优选的，所述步骤(2)中微晶纤维素与预处理液的质量比为0.5～3％，所述环氧氯丙烷与预处理液的用量比为(8～12)mL：100g。优选的，所述步骤(2)中搅拌的时间为2～3h，所述静置的时间为18～24h。优选的，所述步骤(3)中的预冷冻为液氮预冷冻，所述预冷冻的时间为0.5～3min；所述冷冻干燥的温度为-50～-60℃，冷冻干燥的时间为40～48h。优选的，所述步骤(4)中预炭化阶段的升温速率为2～5℃/min；所述炭化阶段的升温速率为3～8℃/min。优选的，所述步骤(4)中活化阶段的活化气体为CO2、水蒸气、烟道气、氧气和空气中的一种或几种。优选的，所述步骤(4)中活化阶段活化气体的流量为0.5～8L/min。本专利技术提供了上述制备方法制备的分级多孔纤维素基炭气凝胶。本专利技术提供了一种分级多孔纤维素基炭气凝胶的制备方法，先将氢氧化钠、尿素与水混合，冷冻、解冻处理后加入微晶纤维素和环氧氯丙烷得到初级凝胶，然后进行预冷冻和冷冻干燥，得到纤维素基气凝胶，最后对纤维素基气凝胶进行热处理，得到分级多孔纤维素基炭气凝胶。本专利技术以来源广泛的微晶纤维素为原料，廉价易得，生产成本低，满足可持续发展要求；本专利技术制备方法简单，环境友好，符合绿色制备要求，适用于规模化生产；本专利技术可以通过控制活化条件，实现对多孔炭气凝胶比表面积、孔径分布的控制，所得分级多孔纤维素基炭气凝胶具有高比表面积和高孔隙率，且内部呈多级分孔状态。实施例表明，本专利技术提供的分级多孔纤维素基炭气凝胶比表面积可达1123m2/g，总孔容积可达0.5cm3/g。附图说明图1为实施例1所得分级多孔纤维素基炭气凝胶的SEM图；图2为实施例1所得分级多孔纤维素基炭气凝胶的TEM图；图3为实施例1所得分级多孔纤维素基炭气凝胶的氮气吸附-脱附等温线图；图4为实施例1所得分级多孔纤维素基炭气凝胶的比表面积随孔径变化曲线。具体实施方式本专利技术提供了一种分级多孔纤维素基炭气凝胶的制备方法，包括以下步骤：(1)将氢氧化钠、尿素与水混合后依次进行冷冻、解冻处理，得到预处理液；(2)向所述预处理液中依次加入微晶纤维素和环氧氯丙烷，搅拌后静置，得到初级凝胶；(3)对所述初级凝胶水洗后依次进行预冷冻和冷冻干燥，得到纤维素基气凝胶；(4)对所述纤维素基气凝胶进行热处理，得到分级多孔纤维素基炭气凝胶；所述热处理包括三个阶段，依次为预炭化阶段、炭化阶段和活化阶段；所述预炭化阶段的保护气氛为惰性气体，温度为200～400℃，保温时间为0.5～3h；所述炭化阶段的保护气氛为惰性气体，温度为800～1100℃，保温时间为0.5～3h；所述活化阶段的保护气氛为活化气体，温度为800～1100℃，保温时间为0.5～3h。本专利技术将氢氧化钠、尿素与水混合后依次进行冷冻、解冻处理，得到预处理液。在本专利技术中，所述氢氧化钠、尿素与水的质量比优选为(5～8):(9～14):(78～84)，更优选为(6～7):(10～12):(80～82)。本专利技术对氢氧化钠、尿素与水的混合方式没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的混合方式即可。在本专利技术中，所述冷冻的温度优选为-5～-12℃，更优选为-10℃；冷冻的时间优选为12～24h，更优选为18～20h；本专利技术优选在室温条件下将冷冻后的混合物解冻至刚好无冰的状态。本专利技术通过冷冻-解冻处理可以破坏纤维素间的氢键，加速纤维素的溶解。得到预处理液后，本专利技术向所述预处理液中依次加入微晶纤维素和环氧氯丙烷，搅拌后静置，得到初级凝胶。本专利技术对微晶纤维素的来源没有具体要求，使用本领域常规市售的微晶纤维素即可。在本专利技术中，所述微晶纤维素与预处理液的质量比优选为0.5～3％，更优选为1～2％；所述环氧氯丙烷与预处理液的用量比优选为(8～12)mL：100g，更优选为10mL：100g。在本专利技术中，所述搅拌的方式优选为磁力搅拌；本专利技术优选先加入微晶纤维素进行一次搅拌，再加入环氧氯丙烷进行二次搅拌，所述一次搅拌的时间优选为2～4h，更优选为3h；所述二次搅拌的时间优选为2～3h，更优选为2.5h。在本专利技术中，所述静置的时间优选为18～24h。得到初级凝胶后，本专利技术对所述初级凝胶水洗后依次进行预冷冻和冷冻干燥，得到纤维素基气凝胶。本专利技术对所述水洗的方式没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的洗涤方式将所述初级凝胶洗涤至中性即可。在本专利技术中，所述预冷冻优选为液氮预冷冻，所述预冷冻的时间优选为0.5～3min，更优选为1～2min；所述冷冻干燥的温度优选为-50～-60℃，更优选为-55℃；冷冻干燥的时间优选为40～48h；本专利技术优选在冷干机中进行冷冻干燥。得到纤维素基气凝胶后，本专利技术对纤维素基气凝胶进行热处理，得到分级多孔纤维素基炭气凝胶；在本专利技术中，所述热处理包括三个阶段，依次为预炭化阶段、炭化阶段和活化阶段。在本专利技术中，所述预炭化阶段的保护气氛为惰性气体，优选为氮气、氦气、氖气、氩气和氙气中的一种或几种，温度为200～400℃，优选为250～350℃，保温时间为0.5～3h，优选为1～2h；所述预炭化阶段的起始温度优选为室温，所述预本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分级多孔纤维素基炭气凝胶的制备方法，包括以下步骤：(1)将氢氧化钠、尿素与水混合后依次进行冷冻、解冻处理，得到预处理液；(2)向所述预处理液中依次加入微晶纤维素和环氧氯丙烷，搅拌后静置，得到初级凝胶；(3)对所述初级凝胶水洗后依次进行预冷冻和冷冻干燥，得到纤维素基气凝胶；(4)对所述纤维素基气凝胶进行热处理，得到分级多孔纤维素基炭气凝胶；所述热处理包括三个阶段，依次为预炭化阶段、炭化阶段和活化阶段；所述预炭化阶段的保护气氛为惰性气体，温度为200～400℃，保温时间为0.5～3h；所述炭化阶段的保护气氛为惰性气体，温度为800～1100℃，保温时间为0.5～3h；所述活化阶段的保护气氛为活化气体，温度为800～1100℃，保温时间为0.5～3h。

【技术特征摘要】
1.一种分级多孔纤维素基炭气凝胶的制备方法，包括以下步骤：(1)将氢氧化钠、尿素与水混合后依次进行冷冻、解冻处理，得到预处理液；(2)向所述预处理液中依次加入微晶纤维素和环氧氯丙烷，搅拌后静置，得到初级凝胶；(3)对所述初级凝胶水洗后依次进行预冷冻和冷冻干燥，得到纤维素基气凝胶；(4)对所述纤维素基气凝胶进行热处理，得到分级多孔纤维素基炭气凝胶；所述热处理包括三个阶段，依次为预炭化阶段、炭化阶段和活化阶段；所述预炭化阶段的保护气氛为惰性气体，温度为200～400℃，保温时间为0.5～3h；所述炭化阶段的保护气氛为惰性气体，温度为800～1100℃，保温时间为0.5～3h；所述活化阶段的保护气氛为活化气体，温度为800～1100℃，保温时间为0.5～3h。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中氢氧化钠、尿素与水的质量比为(5～8):(9～14):(78～84)。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中冷冻的温度为-5～-12℃，冷冻的时间为12～24h。4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘守新，李伟，鄂雷，马春慧，罗沙，
申请(专利权)人：东北林业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23