一种酸碱协同催化碳纤维掺杂碳气凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种酸碱协同催化碳纤维掺杂碳气凝胶，其具备如下参数：比表面积600‑1100m2/g，孔径分布2.0～10.0nm，孔容0.40～1.00cm3/g，比电容90～260F/g。本发明专利技术还涉及上述碳气凝胶的制备方法：（1）有机湿凝胶制备；（2）溶剂置换；（3）常压干燥；（4）高温炭化。本发明专利技术的产品具有比表面积高、电阻率低、孔径大小可控、易成型的优点，该制备方法的制备周期短、成本较低、安全环保。

Acid base synergistic catalytic carbon fiber doped carbon aerogel and preparation method thereof

The invention relates to an acid-base synergistic catalytic carbon fiber doped carbon aerogel, which has the following parameters: specific surface area 600_1100m2/g, pore size distribution 2.0-10.0nm, pore volume 0.40-1.00cm3/g, specific capacitance 90-260F/g. The invention also relates to the preparation method of the carbon aerogel as follows: (1) preparation of organic wet gel; (2) solvent replacement; (3) atmospheric pressure drying; (4) high temperature carbonization. The product of the invention has the advantages of high specific surface area, low resistivity, controllable pore size and easy molding, and the preparation method has the advantages of short preparation period, low cost, safety and environmental protection.

【技术实现步骤摘要】
一种酸碱协同催化碳纤维掺杂碳气凝胶及其制备方法
本专利技术涉及一种酸碱协同催化碳纤维掺杂碳气凝胶及其制备方法。
技术介绍
碳气凝胶作为一种具有丰富的孔洞、连续的网络结构、高比表面积和良好导电性能的新兴纳米非晶碳素材料，是近年来新型碳材料研究的热点之一，最早于1994年由美国LawrenceLivemore国家实验室研制开发，由间苯二酚—甲醛聚合物凝胶裂解而制。自此，国内外学者对其制备和应用进行了大量研究。碳气凝胶常见的制备方法是：以间苯二酚和甲醛为原料在碱性催化剂的作用下形成凝胶，然后以二氧化碳为介质进行超临界干燥制得有机气凝胶，再将有机气凝胶在惰性气体保护下高温热解即得碳气凝胶。制备碳气凝的原料除了间苯二酚和甲醛以外，还有三聚氰胺和甲醛，酚醛树脂和糠醛，线性高分子N-羟甲基丙烯酰胺与间苯二酚，混甲酚一甲醛，间甲酚-甲醛，2,4-二羟基苯甲酸-甲醛等。JIYajun等用氢氧化镁代替碳酸钠作为制备碳气凝胶的催化剂，得到比表面积为700m2•g-1，比电容为123F•g-1的碳气凝胶样品。Sung-WooHwang等将碳气凝胶经CO2活化以增加其微孔，得到了比电容高达220F•g-1的样品。计亚军等在碳气凝胶中加入硝酸铁或硝酸镍，得到的碳气凝胶形貌结构发生了明显的改变，比电容也得到了显著的提升，高达227.3F•g-1。Miller等采用气相化学渗透法制备了铷-碳气凝胶复合电极，透射电镜中可以看到纳米铷颗粒均匀的分散在碳气凝胶的表面，在1MH2SO4电解液中测试比电容能达到250F•g-1远高于未添加铷的95F•g-1，其体积比电容能达到140F•cm-3。传统方法制备的碳气凝胶由于其强度低、脆性大、炭化过程中体积收缩大等缺点，难以制备出大尺寸成型的碳气凝胶成品。因而近年来报道的在前驱体溶液中掺入增强体成为增强碳气凝胶硬度，完善碳气凝胶成型工艺的新方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种比表面积高、电阻率低、孔径大小可控、易成型的酸碱协同催化碳纤维掺杂碳气凝胶及其制备方法，该制备方法具备制备周期短、成本较低、安全环保的优点。本专利技术采用如下技术方案：一种酸碱协同催化碳纤维掺杂碳气凝胶，其具备如下参数：比表面积600-1100m2/g，孔径分布2.0～10.0nm，孔容0.40～1.00cm3/g，比电容90～260F/g。进一步的，其通过如下步骤制备：（1）有机湿凝胶制备：多羟基苯酚与甲醛按照物质的量之比为1:2混合，加入去离子水配制成质量分数为35～40%的反应液，再加碳纤维和羟乙基纤维素钠，再加入抗坏血酸和碳酸钠，将反应液混合均匀后密封，保温40～50℃充分反应1～2天，制得湿凝胶。所述碳纤维与多羟基苯酚的质量比为1:100～300；所述羟乙基纤维素钠与多羟基苯酚的质量比为1:6～50；所述抗坏血酸与多羟基苯酚的摩尔比为1:5～20；所述碳酸钠与多羟基苯酚的摩尔比为1:400～600。（2）溶剂置换：将步骤（1）制备的湿凝胶浸泡于有机溶剂中进行溶剂置换，每隔24小时更换一次有机溶剂，期间更换3～5次；（3）常压干燥：在常温常压下，待有机溶剂自然挥发完全后，即制得干燥的有机气凝胶；（4）高温炭化：将步骤（3）制备的干燥的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以15～40mL/min的速率不断通入惰性保护气，先从室温以1.2～1.8℃/min的速率升温至280～320℃，然后以2～2.2℃/min速率升温到880～920℃后保持3～5个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。进一步的，步骤（1）中，所述多羟基苯酚为间苯二酚。进一步的，步骤（2）中，所述有机溶剂为乙醇、甲醇、丙酮、四氢呋喃和环己烷中的一种或两种以上，优选为丙酮。一种上述酸碱协同催化碳纤维掺杂碳气凝胶的制备方法，其包括如下步骤：（1）有机湿凝胶制备：多羟基苯酚与甲醛按照物质的量之比为1:2混合，加入去离子水配制成质量分数为35～40%的反应液，再加碳纤维和羟乙基纤维素钠，再加入抗坏血酸和碳酸钠，将反应液混合均匀后密封，保温40～50℃充分反应1～2天，制得湿凝胶；所述碳纤维与多羟基苯酚的质量比为1:100～300；所述羟乙基纤维素钠与多羟基苯酚的质量比为1:6～50；所述抗坏血酸与多羟基苯酚的摩尔比为1:5～20；所述碳酸钠与多羟基苯酚的摩尔比为1:400～600；（2）溶剂置换：将步骤（1）制备的湿凝胶浸泡于有机溶剂中进行溶剂置换，每隔24小时更换一次有机溶剂，期间更换3～5次；（3）常压干燥：在常温常压下，待有机溶剂自然挥发完全后，即制得干燥的有机气凝胶；（4）高温炭化：将步骤（3）制备的干燥的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以15～40mL/min的速率不断通入惰性保护气，先从室温以1.2～1.8℃/min的速率升温至280～320℃，然后以2～2.2℃/min速率升温到880～920℃后保持3～5个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。制备方法中，步骤（1）中，所述多羟基苯酚为间苯二酚。制备方法中，步骤（2）中，所述有机溶剂为乙醇、甲醇、丙酮、四氢呋喃和环己烷中的一种或两种以上，优选为丙酮。制备方法中，步骤（1）中，所述碳纤维与多羟基苯酚的质量比为1:200；所述羟乙基纤维素钠与多羟基苯酚的质量比为1:10；所述抗坏血酸与多羟基苯酚的摩尔比为1:10；所述碳酸钠与多羟基苯酚的摩尔比为1:500。制备方法中，步骤（4）中，惰性保护气选自氦气、氖气、氩气和氮气中的一种或两种以上。制备方法中，步骤（3）中，所述常温常压为温度20℃-30℃，一个标准大气压。本专利技术的有益效果在于：本专利技术以间苯二酚和甲醛为原料，加入掺杂剂碳纤维和羟乙基纤维素钠，以抗坏血酸和碳酸钠作为协同催化剂，采用溶胶-凝胶法制备有机湿凝胶；通过调整原料中催化剂的含量适当调节反应速度，有效解决了制备周期长的问题，促进了碳气凝胶的产业化发展；同时通过加入掺杂剂碳纤维和羟乙基纤维素钠能够使得碳气凝胶反应条件温和，反应速度加快，制得较强硬度的碳气凝胶，防止在反应过程中和炭化过程中脆裂的发生，本专利技术是通过对比前人在碳气凝胶制备过程中加入碳纳米管因而在原料中引入剂碳纤维和羟乙基纤维素钠,通过实验结果与前人的对比发现本专利技术所采用的方法制备周期更短，制备条件更温和，原料更加廉价，制得的酸碱协同催化碳气凝胶具有更强的硬度，因而更适用于工业化生产。由于碳纤维极易发生团聚而致使原料在溶胶凝胶过程中局部凝胶，造成孔结构不均匀因而对比表面积、孔径、孔容、比电容等物理性能起到很大的影响作用。本专利技术采用羟乙基纤维素钠作为粘稠剂对碳纤维进行分散，有利于碳纤维掺杂碳气凝胶的形成，同时能够提高比表面积和比电容，掺杂的碳纤维起到支撑孔结构的作用，制备的碳气凝胶具有完整的形状；同时通过调节酸碱催化剂抗坏血酸与碳酸钠的加入量能够加快反应进程，缩短制备周期。通过有机溶剂彻底置换湿凝胶中的水和其它杂质，在常温常压条件下制备有机气凝胶；在真空和惰性气体的保护下炭化，防止有机气凝胶的氧化。本专利技术提供的碳气凝胶比表面积高，孔容和孔径大，比电容高，硬度高，可广泛应用于超级电容器电极、有机废水处理和去除水中的阴阳离子、重金属离子、辐射性同位素等领域，市场前景广阔，其制备过程简单、方便、易操作，生产周本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种酸碱协同催化碳纤维掺杂碳气凝胶，其特征在于，其具备如下参数：比表面积600‑1100m2/g，孔径分布2.0～10.0nm，孔容0.40～1.00cm3/g，比电容90～260F/g。

【技术特征摘要】
1.一种酸碱协同催化碳纤维掺杂碳气凝胶，其特征在于，其具备如下参数：比表面积600-1100m2/g，孔径分布2.0～10.0nm，孔容0.40～1.00cm3/g，比电容90～260F/g。2.根据权利要求1所述的酸碱协同催化碳纤维掺杂碳气凝胶，其特征在于，其通过如下步骤制备：（1）有机湿凝胶制备：多羟基苯酚与甲醛按照物质的量之比为1:2混合，加入去离子水配制成质量分数为35～40%的反应液，再加碳纤维和羟乙基纤维素钠，再加入抗坏血酸和碳酸钠，将反应液混合均匀后密封，保温40～50℃充分反应1～2天，制得湿凝胶；所述碳纤维与多羟基苯酚的质量比为1:100～300；所述羟乙基纤维素钠与多羟基苯酚的质量比为1:6～50；所述抗坏血酸与多羟基苯酚的摩尔比为1:5～20；所述碳酸钠与多羟基苯酚的摩尔比为1:400～600；（2）溶剂置换：将步骤（1）制备的湿凝胶浸泡于有机溶剂中进行溶剂置换，每隔24小时更换一次有机溶剂，期间更换3～5次；（3）常压干燥：在常温常压下，待有机溶剂自然挥发完全后，即制得干燥的有机气凝胶；（4）高温炭化：将步骤（3）制备的干燥的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以15～40mL/min的速率不断通入惰性保护气，先从室温以1.2～1.8℃/min的速率升温至280～320℃，然后以2～2.2℃/min速率升温到880～920℃后保持3～5个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。3.根据权利要求2所述的酸碱协同催化碳纤维掺杂碳气凝胶，其特征在于，步骤（1）中，所述多羟基苯酚为间苯二酚。4.根据权利要求2所述的酸碱协同催化碳纤维掺杂碳气凝胶，其特征在于，步骤（2）中，所述有机溶剂为乙醇、甲醇、丙酮、四氢呋喃和环己烷中的一种或两种以上，优选为丙酮。5.一种如权利要求1~4所述的酸碱协同催化碳纤维掺杂碳气凝胶的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：（1）有机湿凝胶制备：...

【专利技术属性】
技术研发人员：许跃龙，刘振法，任斌，王莎莎，
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