碳气凝胶复合材料的制备方法技术

公开了一种碳气凝胶复合材料的制备方法，该制备方法将制得的氧化石墨烯气凝胶粉碎并超声处理后均匀分散于酚醛树脂前驱体溶液中，得到氧化石墨烯气凝胶酚醛树脂前驱体溶液，将氧化石墨烯气凝胶酚醛树脂前驱体溶液密封并恒温一段时间，制得氧化石墨烯酚醛树脂湿凝胶。接着置换出氧化石墨烯酚醛树脂湿凝胶中的水分并干燥，制得氧化石墨烯酚醛树脂气凝胶。热处理该氧化石墨烯酚醛树脂气凝胶，使得氧化石墨烯酚醛树脂气凝胶中的氧化石墨烯气凝胶的还原以及酚醛树脂气凝胶的碳化同时进行，制得石墨烯原位掺杂碳气凝胶。最后将原位掺杂碳气凝胶活化，制得具有高导电率的碳气凝胶复合材料。该方法工艺流程简化，并且方便电导率的可控调节。

Method for preparing carbon aerogel composite material

The invention discloses a preparation method of carbon aerogel composite material, the preparation methods of graphene oxide aerogel prepared by grinding and ultrasonic treatment after uniformly dispersed in the phenolic resin precursor solution, obtained graphene oxide aerogel phenolic resin precursor solution, the graphene oxide aerogel precursor phenolic resin sealing solution and constant temperature for a period of time, to prepare graphene oxide phenolic resin wet gel. Then, the moisture in the wet gel of the epoxy resin phenolic resin is replaced and dried. The thermal treatment of the graphene oxide aerogel phenolic resin, the graphene oxide aerogel graphene oxide phenolic resin in the aerogel and the reduction of phenolic resin gel carbonization gas at the same time, graphene prepared in situ doped carbon aerogels. Finally, the carbon aerogel composites with high conductivity were prepared by the in-situ doping of carbon aerogels. The process flow of the method is simplified, and the controllability of the conductivity is convenient.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及复合材料邻域，更具体地，涉及一种碳气凝胶复合材料的制备方法。
技术介绍
1989年，美国LawrenceLivemore国家实验室PkealaR.W.将间苯二酚和甲醛作为原料，通过溶胶-凝胶及超临界干燥等过程制得具有低密度、低热导率的有机气凝胶，经过进一步的高温碳化过程制得了碳气凝胶。碳气凝胶是由纳米碳颗粒相互粘结、叠加组成的具有三维纳米网络结构的无定型碳材料，其孔隙率高达80至98％，典型孔隙尺寸小于50nm，比表面积高达600至3000m2/g，是一种纳米孔结构可控、纯度高的新型碳材料，可广泛地应用于电化学储能、土壤修复、去离子净化水处理等多个领域。石墨烯气凝胶(GrapheneAerogel，GA)是指以石墨烯为主体的三维多孔网络结构，它具有石墨烯的纳米特性和气凝胶的宏观结构，并具有很强的机械强度、电子传导能力。相比于碳气凝胶而言，石墨烯气凝胶的比表面积和孔隙率相对较低，而其电导率较高。但现有的石墨烯气凝胶的制备方法中，对石墨烯气凝胶材料的电导率的可控性较差，制备过程也比较复杂。
技术实现思路
鉴于上述问题，本专利技术的目的在于提供一种节省制作流程、方便电导率可控调节的碳气凝胶复合材料的制备方法。根据本专利技术提供的一种碳气凝胶复合材料的制备方法，包括：制得氧化石墨烯气凝胶；制得酚醛树脂前驱体溶液；将所述氧化石墨烯气凝胶粉碎并超声处理后均匀分散于所述酚醛树脂前驱体溶液中，得到氧化石墨烯气凝胶酚醛树脂前驱体溶液，将所述氧化石墨烯气凝胶酚醛树脂前驱体溶液密封并保持第一预定温度持续第一预定时间，制得氧化石墨烯酚醛树脂湿凝胶；置换出所述氧化石墨烯酚醛树脂湿凝胶中的水分并干燥，制得氧化石墨烯酚醛树脂气凝胶；热处理所述氧化石墨烯酚醛树脂气凝胶，使得所述氧化石墨烯酚醛树脂气凝胶中的氧化石墨烯气凝胶的还原和所述氧化石墨烯酚醛树脂气凝胶中的酚醛树脂气凝胶的碳化同时进行，制得石墨烯原位掺杂碳气凝胶；将所述石墨烯原位掺杂碳气凝胶活化，制得所述碳气凝胶复合材料。优选地，所述制得氧化石墨烯气凝胶包括：将氧化石墨烯水溶液进行水热反应，制得氧化石墨烯湿凝胶；将所述氧化石墨烯湿凝胶冷冻干燥，制得所述氧化石墨烯气凝胶。优选地，所述制得酚醛树脂前驱体溶液包括：将间苯二酚、甲醛溶液、水和碳酸钠溶液以一定比例混合并反应，制得所述酚醛树脂前驱体溶液。优选地，当所述酚醛树脂前驱体溶液的体系粘度为6.5至500mPa·s时，将所述氧化石墨烯气凝胶粉碎并超声处理后均匀分散于所述酚醛树脂前驱体溶液中。优选地，所述甲醛溶液的质量比浓度为37％，所述碳酸钠溶液的浓度为0.01至1.0mol/L，所述间苯二酚与甲醛的摩尔比为0.1至1，所述间苯二酚与所述水的质量比为0.15至1.5，所述间苯二酚与所述碳酸钠的摩尔比为50至200，将所述氧化石墨烯气凝胶粉碎并超声处理后均匀分散于所述酚醛树脂前驱体溶液中时，所述氧化石墨烯气凝胶质量占所述酚醛树脂前驱体溶液总重的0.01至0.3％。优选地，所述第一预定温度为30至90℃，所述第一预定时间为3至5天。优选地，所述置换出所述氧化石墨烯酚醛树脂湿凝胶中的水分并干燥，制得氧化石墨烯酚醛树脂气凝胶包括：将所述氧化石墨烯酚醛树脂湿凝胶浸泡于有机溶剂中，置换出所述氧化石墨烯酚醛树脂湿凝胶中的水分，得到产物；将所述产物保持第二预定温度干燥第二预定时间。优选地，所述有机溶剂每12至24h更换一次，共更换3至5次。优选地，所述有机溶剂为丙酮、甲醇、乙醇、异丙醇中的任一种。优选地，所述第二预定温度为20至35℃，所述第二预定时间为5至10天。优选地，所述热处理所述氧化石墨烯酚醛树脂气凝胶包括：将所述氧化石墨烯酚醛树脂气凝胶在氮气保护下，保持900至1050℃进行热处理持续180至300min，制得所述石墨烯原位掺杂碳气凝胶。优选地，所述将所述石墨烯原位掺杂碳气凝胶活化包括：将所述石墨烯气凝胶在二氧化碳中，保持900至1000℃持续30至240min，制得所述碳气凝胶复合材料。根据本专利技术的碳气凝胶复合材料的制备方法，将石墨烯气凝胶作为一种添加剂，通过原位掺杂的方法制得一种高导电率的碳气凝胶复合材料，有效融合了碳气凝胶发达的孔隙结构和石墨烯气凝胶的高电导率特性，使该碳气凝胶复合材料作为电极材料应用于超级电容器以及电容去离子技术等领域时可有效降低电极内阻，提高电子和离子的传导速率。该碳气凝胶复合材料在制备过程中，将氧化石墨烯气凝胶(GrapheneOxideAerogel，GOA)超声处理后均匀分散于酚醛树脂前驱体溶液中，利用了氧化石墨烯气凝胶比石墨烯气凝胶的亲水性好的特性，更易于分散于酚醛树脂前驱体溶液中，之后再将氧化石墨烯气凝胶还原为石墨烯气凝胶。并且，氧化石墨烯气凝胶的还原过程与酚醛树脂气凝胶的碳化过程同时完成，无需单独完成氧化石墨烯气凝胶的还原过程，节省了工艺流程。在掺杂过程中，本专利技术的碳气凝胶复合材料的制备方法采用原位掺杂的方法，有利于石墨烯气凝胶的均匀分散，确保了复合材料内部结构及组成的均匀性。进一步地，通过调节石墨烯气凝胶的含量、间苯二酚和碳酸钠的摩尔比以及碳活化工艺，使得该碳气凝胶复合材料的电导率及其内部结构实现可控调节，方便具有高导电率的碳气凝胶复合材料的制备。附图说明通过以下参照附图对本专利技术实施例的描述，本专利技术的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：图1示出根据本专利技术第一实施例的碳气凝胶复合材料的制备方法的示意图。具体实施方式本专利技术提供一种碳气凝胶复合材料的制备方法，该碳气凝胶复合材料的制备方法将制得的氧化石墨烯气凝胶粉碎并超声处理后均匀分散于酚醛树脂前驱体溶液中，得到氧化石墨烯气凝胶酚醛树脂前驱体溶液，将氧化石墨烯气凝胶酚醛树脂前驱体溶液密封并恒温一段时间，制得氧化石墨烯酚醛树脂湿凝胶。接着置换出氧化石墨烯酚醛树脂湿凝胶中的水分并干燥，制得氧化石墨烯酚醛树脂气凝胶。热处理该氧化石墨烯酚醛树脂气凝胶，使得氧化石墨烯酚醛树脂气凝胶中的氧化石墨烯气凝胶的还原以及酚醛树脂气凝胶的碳化同时进行，制得石墨烯原位掺杂碳气凝胶。最后将石墨烯原位掺杂碳气凝胶活化，制得具有高导电率的碳气凝胶复合材料。该方法工艺流程简化，并且方便电导率的可控调节，方便具有高导电率的碳气凝胶复合材料的制备。下面结合附图1具体说明本专利技术的碳气凝胶复合材料的制备方法的实施例，在下文中描述了本专利技术的许多特定的细节，例如物质的质量、体积、物质的量、溶液的浓度、处理工艺和技术、器材的选用，以便更清楚地理解本专利技术。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本专利技术。图1示出根据本专利技术第一实施例的碳气凝胶复合材料的制备方法的示意图，该碳气凝胶复合材料的制备方法包括步骤S101至S109。通过步骤S101至S102，完成氧化石墨烯气凝胶的制备。其中，在步骤S101中，将氧化石墨烯水溶液进行水热反应，本实施例将体积为80mL、浓度为2mg/mL的氧化石墨烯水溶液置于容积200mL的水热反应釜中，在温度为180℃的条件下进行水热反应，反应13h，得到氧化石墨烯湿凝胶。其中氧化石墨烯水溶液可以采用改进的Hummers法制得氧化石墨烯、再将氧化石墨烯在水中超声处理而得到。接着，在步骤S102中，将氧化石墨烯湿凝胶冷冻干本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，包括：制得氧化石墨烯气凝胶；制得酚醛树脂前驱体溶液；将所述氧化石墨烯气凝胶粉碎并超声处理后均匀分散于所述酚醛树脂前驱体溶液中，得到氧化石墨烯气凝胶酚醛树脂前驱体溶液，将所述氧化石墨烯气凝胶酚醛树脂前驱体溶液密封并保持第一预定温度持续第一预定时间，制得氧化石墨烯酚醛树脂湿凝胶；置换出所述氧化石墨烯酚醛树脂湿凝胶中的水分并干燥，制得氧化石墨烯酚醛树脂气凝胶；热处理所述氧化石墨烯酚醛树脂气凝胶，使得所述氧化石墨烯酚醛树脂气凝胶中的氧化石墨烯气凝胶的还原和所述氧化石墨烯酚醛树脂气凝胶中的酚醛树脂气凝胶的碳化同时进行，制得石墨烯原位掺杂碳气凝胶；将所述石墨烯原位掺杂碳气凝胶活化，制得所述碳气凝胶复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，包括：制得氧化石墨烯气凝胶；制得酚醛树脂前驱体溶液；将所述氧化石墨烯气凝胶粉碎并超声处理后均匀分散于所述酚醛树脂前驱体溶液中，得到氧化石墨烯气凝胶酚醛树脂前驱体溶液，将所述氧化石墨烯气凝胶酚醛树脂前驱体溶液密封并保持第一预定温度持续第一预定时间，制得氧化石墨烯酚醛树脂湿凝胶；置换出所述氧化石墨烯酚醛树脂湿凝胶中的水分并干燥，制得氧化石墨烯酚醛树脂气凝胶；热处理所述氧化石墨烯酚醛树脂气凝胶，使得所述氧化石墨烯酚醛树脂气凝胶中的氧化石墨烯气凝胶的还原和所述氧化石墨烯酚醛树脂气凝胶中的酚醛树脂气凝胶的碳化同时进行，制得石墨烯原位掺杂碳气凝胶；将所述石墨烯原位掺杂碳气凝胶活化，制得所述碳气凝胶复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制得氧化石墨烯气凝胶包括：将氧化石墨烯水溶液进行水热反应，制得氧化石墨烯湿凝胶；将所述氧化石墨烯湿凝胶冷冻干燥，制得所述氧化石墨烯气凝胶。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制得酚醛树脂前驱体溶液包括：将间苯二酚、甲醛溶液、水和碳酸钠溶液以一定比例混合并反应，制得所述酚醛树脂前驱体溶液。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，当所述酚醛树脂前驱体溶液的体系粘度为6.5至500mPa·s时，将所述氧化石墨烯气凝胶粉碎并超声处理后均匀分散于所述酚醛树脂前驱体溶液中。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述甲醛溶液的质量比浓度为37％，所述碳酸钠溶液的浓度为0.01至1.0mol/L，所述间苯二酚与甲醛的摩尔比为0.1至1，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾金艳，龚伟志，赵凯，王鹤，孙会丹，陈兵，
申请(专利权)人：天津晨祥丰凯新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：天津;12