一种微孔碳气凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种微孔碳气凝胶及其制备方法，其通过在有机湿凝胶制备一步加入LiNO3、KNO3和K2SO4组成的混合低共熔盐制备而得，并具备如下参数：比表面积850‑1350m

Microporous carbon aerogel and preparation method thereof

The invention relates to a microporous carbon aerogel and its preparation method, the organic wet gel preparation step mixed with LiNO3, KNO3 and K2SO4. The eutectic salt is prepared, and has the following parameters: the specific surface area of 850 1350m

【技术实现步骤摘要】
一种微孔碳气凝胶及其制备方法
本专利技术涉及一种微孔碳气凝胶及其制备方法，属于碳气凝胶制备领域。
技术介绍
碳气凝胶是一种新型的轻质多孔材料，因其具有稳定性好、孔隙率高、比表面积大、导电率高及较多的物质及电子传输孔道的特点，广泛应作催化剂载体、储氢材料、吸附材料及超级电容器或锂离子电池的电极材料等，有利于解决当今社会的能源危机及环境污染问题而成为研究热点。碳气凝胶因为其应用领域不同，而对性能要求不同，因此制备方法不尽相同。针对于作为CO2气体吸附剂的碳气凝胶而言，对其孔径有一定的要求。CN201611110955.8公开了一种碳气凝胶的制备方法，其通过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，得到中间产物进而进行老化处理，得到有机湿凝胶，然后进行抽真空和干燥处理，得到有机气凝胶，最后在氮气保护下加热碳化，自然冷却至室温，得到碳气凝胶，其采用弱碱有机胺作为催化剂，不利于成本降低并且对环境不友好。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种性能优越，利于CO2气体吸附的碳气凝胶，并提供其步骤简单，操作简便的制备方法。为解决上述问题，本专利技术所采取的技术方案是：技术主题一本专利技术提供了一种微孔碳气凝胶，其关键技术点在于，其通过在有机湿凝胶制备一步加LiNO3、KNO3和K2SO4组成的混合低共熔盐制备而得，并具备如下参数：比表面积850-1350m2/g，孔径分布1-2nm，孔容0.38-0.43cm3/g，常温常压下CO2的吸附量为3.2-3.8mmol/g。进一步地，LiNO3、KNO3和K2SO4的混合低共熔盐的质量百分数组成如下：LiNO336～42％；KNO346～52％；K2SO412～18％。进一步地，具体通过如下步骤制备：步骤一：有机湿凝胶制备将多羟基苯与甲醛按照摩尔比为1:2混合，加入去离子水配制成质量分数为35～45％的反应液，再加入LiNO3、KNO3和K2SO4组成的混合低共熔盐，低共熔盐的加入量为多羟基苯与甲醛总质量的13～25％，将反应液混合均匀后密封，保温40℃充分反应3天，制得间苯二酚-间苯三酚-甲醛有机湿凝胶，所述多羟基苯为间苯三酚和间苯二酚的混合物；步骤二：冷冻干燥将步骤一制备的有机湿凝胶直接放入冷冻干燥箱中，于-70～-80℃干燥一天，得到有机气凝胶；步骤三：高温炭化将步骤二得到的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以10～30mL/min的速率不断通入保护气，先从室温以1.3～1.7℃/min的速率升温至280～320℃，然后以1.8～2.2℃/min速率升温到900±10℃后保持2～4个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶；步骤四：酸洗用盐酸溶液浸泡，超声清洗，每次半小时，清洗三次。技术主题二本专利技术提供一种如技术主题一中所述的微孔碳气凝胶的制备方法，具体包括如下步骤：步骤一：有机湿凝胶制备将多羟基苯与甲醛按照摩尔比为1:2混合，加入去离子水配制成质量分数为35～45％的反应液，再加入LiNO3、KNO3和K2SO4组成的混合低共熔盐，低共熔盐的加入量为多羟基苯与甲醛总质量的13～25％，将反应液混合均匀后密封，保温40-60℃充分反应2-4天，制得间苯二酚-间苯三酚-甲醛有机湿凝胶，所述多羟基苯为间苯三酚和间苯二酚的混合物；步骤二：冷冻干燥将步骤一制备的有机湿凝胶直接放入冷冻干燥箱中，于-70～-80℃干燥一天，得到有机气凝胶；步骤三：高温炭化将步骤二得到的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以10～30mL/min的速率不断通入保护气，先从室温以1.3～1.7℃/min的速率升温至280～320℃，然后以1.8～2.2℃/min速率升温到900±10℃后保持2～4个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶；步骤四：用盐酸溶液浸泡，超声清洗，每次半小时，清洗三次。进一步地，所述LiNO3、KNO3和K2SO4组成的混合低共熔盐的质量百分数组成如下：LiNO336～42％；KNO346～52％；K2SO412～18％。进一步地，所述多羟基苯为摩尔比为6.5～7.5:1的间苯二酚与间苯三酚的混合物。进一步地，所述多羟基苯为摩尔比为7:1的间苯二酚与间苯三酚的混合物。进一步的，所述的超声波将反应液混合均匀的条件如下：温度为15～30℃，混匀至溶液变成完全澄清透明为止。进一步的，所述步骤三中的保护气选自氦气、氖气、氩气和氮气中的一种或两种以上的组合。进一步的，所述步骤四中的盐酸溶液为0.05～0.15mol/L的盐酸溶液。进一步的，包括如下步骤：步骤一：有机湿凝胶制备将多羟基苯与甲醛按照摩尔比为1:2混合，加入去离子水配制成质量分数为40％的反应液，再加入LiNO3、KNO3和K2SO4组成的混合低共熔盐，低共熔盐的加入量为多羟基苯与甲醛总质量的20％，将反应液混合均匀后密封，保温50℃充分反应3天，制得间苯二酚-间苯三酚-甲醛有机湿凝胶，所述多羟基苯为摩尔比为7:1的间苯三酚和间苯二酚的混合物；步骤二：冷冻干燥将步骤一制备的有机湿凝胶直接放入冷冻干燥箱中，于-80±5℃干燥一天，得到有机气凝胶；步骤三：高温炭化将步骤二得到的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以20mL/min的速率不断通入保护气，先从室温以1.5℃/min的速率升温至300℃，然后以2℃/min速率升温到900±5℃后保持3个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶；步骤四：酸洗用0.1mol/L的盐酸溶液浸泡，超声清洗，每次半小时，清洗三次。本专利技术中所述的常温常压指温度20℃-30℃，一个标准大气压。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本专利技术通过在制备过程中加入LiNO3、KNO3和K2SO4组成的混合低共熔盐，使得在炭化过程中会分解为金属氧化物，最后通过一定浓度的酸洗，去除金属盐，留下孔，有效增大了比表面积，保证了合适大小的孔径。经过试验证明利用LiNO3、KNO3和K2SO4组成的混合低共熔盐系统还可以有效提高对二氧化碳的吸附能力。本专利技术原料为间苯二酚、间苯三酚和甲醛，较多的官能团羟基一方面利于反应进行的更加完全，更重要的一方面是形成的交联更加丰富的大分子，配合以LiNO3、KNO3和K2SO4组成的混合低共熔盐系统的有效填充，利于高温炭后形成更坚固的碳骨架和更致密的3D网络结构。本专利技术通过冷冻干燥再炭化，有利于保持碳气凝胶材料的完整性，避免了结构坍塌，利于成型。本专利技术制备的微孔碳气凝胶比表面积高，孔径分布范围窄，孔容积大，对二氧化碳的吸附能力较强。本专利技术的制备方法步骤简单，操作方便，生产成本低，工艺时间段，对环境友好。附图说明附图1为实施例1所制备的碳气凝胶的吸附等温线；附图2为实施例1所制备的碳气凝胶的孔径分布图；具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对专利技术进行清楚、完整的描述。实施例1步骤一：有机湿凝胶制备将多羟基苯与甲醛按照摩尔比为1:2混合，加入去离子水配制成质量分数为40％的反应液，再加入含38％LiNO3、46％KNO3和16％K2SO4的混合低共熔盐，混合低共熔盐的加入量为多羟基苯与甲醛总质量的20％，将反应液混合均匀后密封，保温50℃充分反应3天，制得间苯二酚-间苯三酚-甲醛有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微孔碳气凝胶，其特征在于，其通过在有机湿凝胶制备一步加入LiNO3、KNO3和K2SO4组成的混合低共熔盐制备而得，并具备如下参数：比表面积850‑1350 m

【技术特征摘要】
1.一种微孔碳气凝胶，其特征在于，其通过在有机湿凝胶制备一步加入LiNO3、KNO3和K2SO4组成的混合低共熔盐制备而得，并具备如下参数：比表面积850-1350m2/g，孔径分布1-2nm，孔容0.38-0.43cm3/g，常温常压下CO2的吸附量为3.2-3.8mmol/g。2.根据权利要求1所述的一种微孔碳气凝胶，其特征在于，其具体通过如下步骤制备：步骤一：有机湿凝胶制备将多羟基苯与甲醛按照摩尔比为1:2混合，加入去离子水配制成质量分数为35~45%的反应液，再加入LiNO3、KNO3和K2SO4组成的混合低共熔盐，低共熔盐的加入量为多羟基苯与甲醛总质量的13~25%，将反应液混合均匀后密封，保温40℃充分反应3天，制得间苯二酚-间苯三酚-甲醛有机湿凝胶，所述多羟基苯为间苯三酚和间苯二酚的混合物；步骤二：冷冻干燥将步骤一制备的有机湿凝胶直接放入冷冻干燥箱中，于-70~-80℃干燥一天，得到有机气凝胶；步骤三：高温炭化将步骤二得到的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以10~30mL/min的速率不断通入保护气，先从室温以1.3~1.7℃/min的速率升温至280~320℃，然后以1.8~2.2℃/min速率升温到900±10℃后保持2~4个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶；步骤四：酸洗用盐酸溶液浸泡，超声清洗，每次半小时，清洗三次。3.一种如权利要求1或2所述的微孔碳气凝胶的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤一：有机湿凝胶制备将多羟基苯与甲醛按照摩尔比为1:2混合，加入去离子水配制成质量分数为35~45%的反应液，再加入LiNO3、KNO3和K2SO4组成的混合低共熔盐，低共熔盐的加入量为多羟基苯与甲醛总质量的13~25%，将反应液混合均匀后密封，保温40-60℃充分反应2-4天，制得间苯二酚-间苯三酚-甲醛有机湿凝胶，所述多羟基苯为间苯三酚和间苯二酚的混合物；步骤二：冷冻干燥将步骤一制备的有机湿凝胶直接放入冷冻干燥箱中，于-70~-80℃干燥一天，得到有机气凝胶；步骤三：高温炭化将步骤二得到的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以10~30mL/min的速率不断通入保护气，先从室温以1.3~1.7℃/min的速率升温至280~320℃，然后以1....

【专利技术属性】
技术研发人员：王莎莎，许跃龙，闫美芳，张利辉，刘振法，
申请(专利权)人：河北省科学院能源研究所，
类型：发明
国别省市：河北,13