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，所述的方法包括以下步骤：步骤一、以间苯二酚和甲醛为原料，有机胺为催化剂，水为溶剂，搅拌均匀，进行凝胶反应，得到中间产物；步骤二、将得到的中间产物进行老化处理，得到有机湿凝胶；步骤三、将有机湿凝胶进行抽真空和干燥处理，得到有机气凝胶；步骤四、将有机气凝胶置于碳化炉中，在氮气保护下加热碳化，自然冷却至室温，得到碳气凝胶。本发明专利技术制备的碳气凝胶，比表面积为400‑1000m2/g，平均孔径在2nm左右，与其它专利文献相比，不仅碳化样品比表面积较高，制备出的碳气凝胶不含金属杂质，而且大大简化了制备方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电极材料
，具体涉及一种高比表面积碳气凝胶的简化制备方法。
技术介绍
碳气凝胶作为一种富含介孔纳米结构的多孔碳材料，有着导电性好、比表面积大、孔隙率高、纳米网络结构可控等优点，在医药、电子、环保、储能、军工等领域具有广泛的应用前景。以间苯二酚和甲醛为原料，碳酸钠作为催化剂，通过溶胶-凝胶、老化、溶剂交换、超临界干燥、高温碳化制备碳气凝胶，是一种研究较多的制备碳气凝胶的方法。US4997804(RWPekela)专利中以间苯二酚和甲醛为原料，碳酸钠作为催化剂，90℃反应7天，凝胶经过丙酮溶剂交换，二氧化碳超临界干燥，在氩气保护下1050℃碳化，所得碳气凝胶的比表面积在400-1100m2/g。但超临界干燥成本较高，酸洗、溶剂交换产生的废液较多，不利于规模化生产。CN1895770A专利提供了一种碳气凝胶粉末的制备方法，将含有一定浓度和催化剂比例的间苯二酚-甲醛溶液在低温下，超声波作用使其均匀分散于油相中，在加热和超声波下进行凝胶聚合反应，经过分离、清洗、干燥、碳化得到亚微米级或纳米级碳气凝胶粉末。此方法在油相中进行反应，碳酸钠作为催化剂，后期处理较为繁琐，成本投入较大，难以实现规模化化生产。现有碳气凝胶的制备工艺中，超临界干燥成本很高，碳酸钠或氢氧化钾作催化剂，酸洗、溶剂交换过程中产生的废液量大，由于环保、成本等问题，均难以实现规模化生产。
技术实现思路
本专利技术克服了现有技术的不足，提供一种碳气凝胶的制备方法。本专利技术采用有机胺类作为催化剂，凝胶后直接进行常压干燥，既避免了酸洗、溶剂交换步骤，又简化了生产工艺，降低了成本，缩短了工艺时间，为碳气凝胶的工业化生产提供了可能；此外，该工艺过程中未使用含金属离子的催化剂，得到的碳气凝胶纯度较高。为解决上述的技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种碳气凝胶的制备方法，所述的方法包括以下步骤：步骤一、以间苯二酚和甲醛为原料，有机胺为催化剂，水为溶剂，搅拌均匀，进行凝胶反应，得到中间产物；步骤二、将得到的中间产物进行老化处理，得到有机湿凝胶；步骤三、将有机湿凝胶进行抽真空和干燥处理，得到有机气凝胶；步骤四、将有机气凝胶置于碳化炉中，在氮气保护下加热碳化，自然冷却至室温，得到碳气凝胶。更进一步的技术方案是所述步骤一中原料间苯二酚与甲醛摩尔比为1:1.5-1:2.5；所述间苯二酚与催化剂摩尔比为：25:1-500:1。本专利技术中间苯二酚与甲醛摩尔比为1:1.5-1:2，加入的甲醛量较少，甲醛基本会完全反应，利于工业生产中减少环境问题；1:2-1:2.5，甲醛稍过量，间苯二酚会完全反应，由于间苯二酚价格较贵，利于降低生产成本。更进一步的技术方案是所述有机胺催化剂为脂肪胺、脂环胺、醇胺中的一种或几种。更进一步的技术方案是所述步骤一中间苯二酚与甲醛的反应是在水相条件下进行，反应温度为40-80℃。更进一步的技术方案是所述步骤一中凝胶反应的凝胶时间为15-60min。更进一步的技术方案是所述步骤二中所述中间产物进行老化处理的温度为40-100℃，老化时间为0.5-10天。更进一步的技术方案是所述步骤三中所述有机湿凝胶的干燥温度为50-150℃，干燥时间1-20h。更进一步的技术方案是所述步骤四中所述有机气凝胶的碳化温度为600℃-1050℃，碳化时间为3-12h。更进一步的技术方案是所述步骤三中是将有机湿凝胶在真空烘箱中进行抽真空和干燥处理，得到有机气凝胶。更进一步的技术方案是所述步骤三中是将有机湿凝胶在常压下进行干燥处理，得到有机气凝胶。与现有技术相比，本专利技术实施例的有益效果之一是：本专利技术采用有机胺类作为催化剂制备碳气凝胶，克服了使用碳酸钠、氢氧化钾作为催化剂制备碳气凝胶所需要的酸洗、溶剂交换、超临界干燥的缺点，使碳气凝胶的制备工艺大大简化，降低了生产成本，缩短了工艺时间，为碳气凝胶的工业化生产提供了可能。该工艺过程中未使用含金属离子的催化剂，得到的碳气凝胶纯度较高。本专利技术制备的碳气凝胶，比表面积为400-1000m2/g，平均孔径在2nm左右，与其它专利文献相比，不仅碳化样品比表面积较高，制备出的碳气凝胶不含金属杂质，而且大大简化了制备方法。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的碳气凝胶的SEM图。图2为本专利技术实施例3制备的碳气凝胶的SEM图。图3为本专利技术实施例7制备的碳气凝胶的吸附脱附等温线。具体实施方式本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。下面结合附图及实施例对本专利技术的具体实施方式进行详细描述。实施例1取16.18g间苯二酚、16.31mL质量百分比为37％的甲醛溶液、0.05mL质量百分比为40％甲胺催化剂加入到反应容器中(下文均为质量百分比)，再加水至溶液体积为50mL，并搅拌均匀。然后将反应液转移到60℃的恒温水浴中老化3天。老化完成后，将样品取出，在80℃的真空干燥箱中干燥10h。再将干燥后的样品放入高温碳化炉，在1050℃碳化6h，即得到碳气凝胶。最终产物平均孔径为1.98nm，总孔容积为0.233mL/g，比表面积为471m2/g。实施例2取16.18g间苯二酚、19.57mL37％的甲醛溶液、0.05mL68.0％-72.0％乙胺催化剂加入到反应容器中，再加水至溶液体积为50mL，并搅拌均匀。然后将反应液转移到80℃的恒温水浴中老化2天。老化完成后，将样品取出，在80℃的真空干燥箱中干燥10h。再将干燥后的样品放入高温碳化炉，在1050℃碳化6h，即得到碳气凝胶。最终产物平均孔径为1.96nm，总孔容积为0.269mL/g，比表面积为550m2/g。实施例3取16.18g间苯二酚、21.74mL37％的甲醛溶液、0.05mL98％正丙胺催化剂加入到反应容器中，再加水至溶液体积为50mL，并搅拌均匀。然后将反应液转移到60℃的恒温水浴中老化3天。老化完成后，将样品取出，在80℃的真空干燥箱中干燥10h。再将干燥后的样品放入高温碳化炉，在950℃碳化7h，即得到碳气凝胶。最终产物平均孔径为2.00nm,总孔容积为0.232mL/g，比表面积为466m2/g。实施例4取16.18g间苯二酚、20.65mL37％的甲醛溶液、0.05mL99.0％二异丙胺催化剂加入到反应容器中，再加水至溶液体积为50mL，并搅拌均匀。然后将反应液转移到50℃的恒温水浴中老化5天。老化完成后，将样品取出，在60℃的真空干燥箱中干燥15h。再将干燥后的样品放入高温碳化炉，在1050℃碳化6h，即得到碳气凝胶。最终产物平均孔径为1.98nm，总孔容积为0.249mL/g，比表面积为505m2/g。实施例5取16.18g间苯二酚、21.74mL37％的甲醛溶液、0.05mL98％一正丁胺催化剂加入到反应容器中，再加水至溶液体积为50mL，并搅拌均匀。然后将反应液转移到60℃的恒温水浴中老化3天。老化完成后，将样品取出，在60℃的真空干燥箱中干燥15h。再将干燥后的样品放入高温碳化炉，在6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：所述的方法包括以下步骤：步骤一、以间苯二酚和甲醛为原料，有机胺为催化剂，水为溶剂，搅拌均匀，进行凝胶反应，得到中间产物；步骤二、将得到的中间产物进行老化处理，得到有机湿凝胶；步骤三、将有机湿凝胶进行抽真空和干燥处理，得到有机气凝胶；步骤四、将有机气凝胶置于碳化炉中，在氮气保护下加热碳化，自然冷却至室温，得到碳气凝胶。

【技术特征摘要】
1.一种碳气凝胶的制备方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：步骤一、以间苯二酚和甲醛为原料，有机胺为催化剂，水为溶剂，搅拌均匀，进行凝胶反应，得到中间产物；步骤二、将得到的中间产物进行老化处理，得到有机湿凝胶；步骤三、将有机湿凝胶进行抽真空和干燥处理，得到有机气凝胶；步骤四、将有机气凝胶置于碳化炉中，在氮气保护下加热碳化，自然冷却至室温，得到碳气凝胶。2.根据权利要求1所述的碳气凝胶的制备方法，其特征在于所述的步骤一中原料间苯二酚与甲醛摩尔比为1:1.5-1:2.5；所述间苯二酚与催化剂摩尔比为：25:1-500:1。3.根据权利要求1所述的碳气凝胶的制备方法，其特征在于所述的有机胺催化剂为脂肪胺、脂环胺、醇胺中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的碳气凝胶的制备方法，其特征在于所述的步骤一中间苯二酚与甲醛的反应是在水相条件下进行，反应温度为40-80℃。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗恩乾，王建家，魏忠，
申请(专利权)人：绵阳泛博新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51