具有三维网状结构煤基分级孔炭气凝胶的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有三维网状结构煤基分级孔炭气凝胶的制备。该气凝胶是以混酸氧化处理的原煤（氧化煤）为原料，聚乙烯醇作为交联剂和造孔剂，加入氢氧化钾调至溶液为中性，经过老化、冻干过程得到干凝胶，再将干凝胶经过高温碳化，高温碳化过程中由于氧化煤和聚乙烯醇分解程度不同而产生分级多孔，进而制得具有三维网状结构的煤基分级孔炭气凝胶。制备方法包括：具有三维网状结构煤基分级孔炭气凝胶的制备。本发明专利技术合成过程用新疆黑山煤为原料，资源丰富，且价格低廉，制备方法较简单，制备的具有三维网状结构煤基分级孔炭气凝胶有望应用到超级电容器等领域。

Preparation of coal based porous carbon aerogels with three dimensional network structure

【技术实现步骤摘要】
具有三维网状结构煤基分级孔炭气凝胶的制备方法本专利涉及到的是具有三维网状结构煤基分级孔炭气凝胶的制备方法。
技术介绍
超级电容器，也称为电化学电容器，是一种介于传统电容器和二次电池之间的新型的能量存储装置，具有充放电效率高、功率密度高、循环寿命长等特点，被广泛应用于工业，军事，交通运输等领域。所以设计结构合理，比表面积高的电极材料是实现高性能超级电容器的关键。目前，商业化程度最高的超级电容器材料是碳基材料。而炭气凝胶，作为一种新型的碳材料，具有质量轻，比表面积大，孔体积大，热导率低等优点。在能源，环保，建筑以及航天航空等领域具有广阔的应用前景。石墨烯气凝胶的研究和制备成为当前的一个研究热点，但是石墨烯气凝胶存在着制作成本高，原料的来源较少，制备过程较复杂而限制了商业化生产。因此，我们选用煤来作为碳源制备炭气凝胶，其优点如下：首先，煤基煤气凝胶利用新疆丰富的煤炭资源，价格低廉；其次，煤基炭气凝胶制备工艺简单，可大大降低炭气凝胶的成本，从而为煤基炭气凝胶的大规模制备提供了一种可能并有望应用到超级电容器等领域。
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具有三维网状结构煤基分级孔炭气凝胶的制备方法，该方法的制备简单，成本低，制备得到具有三维网状结构的煤基分级孔炭气凝胶。本专利技术所提供的煤基分级孔炭气凝胶，其制备原料包括：煤，浓硫酸，硝酸，氢氧化钾，聚乙烯醇。本专利技术所提供的煤基分级孔炭气凝胶，制备过程包括：用混酸(硫酸和硝酸)处理原煤，用混酸处理的氧化煤作为碳源，聚乙烯醇作为交联剂和造孔剂，得到溶胶，进行老化、冻干等过程得到干凝胶，再经高温碳化得到具有三维网状结构的煤基分级孔炭气凝胶。本专利技术的一种煤基分级孔炭气凝胶的制备方法，过程如下:(1)称取氧化煤加入蒸馏水中，加入氢氧化钾调至溶液为中性，加入聚乙烯醇，在80oC下连续搅拌12小时，得到溶胶。再将溶胶放置在-70oC的冰箱中冷冻24小时，然后真空冷冻干燥，最后再高温碳化，得到煤基分级孔炭气凝胶。(2)步骤(1)中的氧化煤与聚乙烯醇的质量比为4:1，4:2，4:4。(3)步骤(1)中的蒸馏水的量分别为8毫升，10毫升，12毫升。(4)步骤(1)中的碳化温度为700oC，800oC，900oC，保温时间为2小时，升温速率为5oC/min，保护气为氮气。本专利技术的一种具有三维网状结构煤基分级孔炭气凝胶的制备方法。有益效果：(1)利用新疆丰富的煤炭资源，价格低廉，合成过程简单，是一种绿色的化学制备方法。(2)实验设计巧妙：利用混酸将大分子煤剪切成小分子的氧化煤，使其溶解在蒸馏水中，氧化煤作为碳源，聚乙烯醇将其交联在一起形成溶胶凝胶，经一步碳化，聚乙烯醇分解造孔无需后续处理，制得具有三维网状结构的煤基分级孔炭气凝胶。附图说明：图1得到的具有三维网状结构煤基分级孔炭气凝胶(a)宏观(碳化前后)；(b,c)SEM图(微观形貌)具体实施方法：下面结合具体实例，进一步阐述本专利技术。煤，新疆黑山；浓硫酸，硝酸购买于天津市永晟精细化工有限公司；聚乙烯醇，阿拉丁试剂(上海)有限公司；氢氧化钾，天津市福晨精细化工有限公司；实例1:(1)称取10克过200目筛子的新疆黑山煤为原料，放在5升的大烧杯中，在冰水浴(0-5oC)条件下，将混酸(硫酸和硝酸)按一定的比例(体积比=V硫酸:V硝酸=3:1,共180毫升)分多次快速加入，用一定转速的机械搅拌直至混酸完全加入，再将其在冰水浴中搅拌20-30分钟；然后分多次加入250毫升的蒸馏水，接着搅拌2-3小时，最后加入蒸馏水至5毫升，放置过夜。然后抽滤，收集滤饼，在110oC的鼓风烘箱中烘12小时至干，得到氧化煤。(2)称取0.8克的氧化煤，分散在10毫升的蒸馏水中，加入一定量的氢氧化钾调节溶液至中性，再加入0.4克的聚乙烯醇，80oC加热搅拌12小时，得到溶胶，最后将样品放置在-70oC的冰箱中冷冻24小时，再经过冷冻干燥，得到干凝胶。(3)将步骤(2)中的干凝胶放置在方舟中，置于管式炉，进行碳化。碳化温度为800oC，保温时间为2小时，最终得到煤基分级孔炭气凝胶，记作HPCAs4-10-800。图1表明：得到的煤基分级孔炭气凝胶的微观形貌，是三维的具有分级孔的交联网状结构。实施例2:将实施例1中的聚乙烯醇的量改为0.2克，剩余操作同实施例1，最终得到煤基分级孔炭气凝胶，记作HPCAs2-10-800。实施例3:将实施例1中的聚乙烯醇的量改为0.8克，剩余操作同实施例1，最终得到煤基分级孔炭气凝胶，记作HPCAs8-10-800。实施例4:将实施例1中的碳化温度改为700oC，剩余操作同实施例1，最终得到煤基分级孔炭气凝胶，记作HPCAs4-10-700。实施例5:将实施例1中的碳化温度改为900oC，剩余操作同实施例1，最终得到煤基分级孔炭气凝胶，记作HPCAs4-10-900。实施例6:将实施例1中的蒸馏水的量改为8毫升，剩余操作同实施例1，最终得到煤基分级孔炭气凝胶，记作HPCAs4-8-800。实施例7:将实施例1中的蒸馏水的量改为12毫升，剩余操作同实施例1，最终得到煤基分级孔炭气凝胶，记作HPCAs4-12-800。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有三维网状结构煤基分级孔炭气凝胶，其特征在于，利用混酸将大分子煤剪切成小分子的氧化煤，使其溶解在蒸馏水中，氧化煤作为碳源，聚乙烯醇将其交联在一起形成溶胶凝胶，经一步碳化，聚乙烯醇分解造孔无需后续处理，制得具有三维网状结构的煤基分级孔炭气凝胶。

【技术特征摘要】
1.一种具有三维网状结构煤基分级孔炭气凝胶，其特征在于，利用混酸将大分子煤剪切成小分子的氧化煤，使其溶解在蒸馏水中，氧化煤作为碳源，聚乙烯醇将其交联在一起形成溶胶凝胶，经一步碳化，聚乙烯醇分解造孔无需后续处理，制得具有三维网状结构的煤基分级孔炭气凝胶。2.一种具有三维网状结构煤基分级孔炭气凝胶的制备方法，包括：(1)称取10克过200目筛子的新疆黑山煤为原料，放在5升的大烧杯中，在冰水浴(0-5oC)条件下，将混酸(硫酸和硝酸)按一定的比例(体积比=V硫酸:V硝酸=3:1,共180毫升)分多次快速加入，用一定转速的机械搅拌直至混酸完全加入，再将其在冰水浴中搅拌20-30分钟；然后分多次加入250毫升的蒸馏水，接着搅拌2-3小时，最后加入蒸馏水至5升，放置过夜；然后抽滤，收集滤饼，在110oC的鼓风烘箱中烘12小时至干，得到氧化煤；(2)称取步骤(1)中得到的氧化煤0.8克，分散在10毫升的蒸馏水中，加入一定量的氢氧化钾调节溶液至中性，再加入0.4克的聚乙烯醇，80oC加热搅拌12小时，得到溶胶，然后将样品放置在-70oC的冰箱中冷冻24小时，最后经过冷冻干燥，得到干凝胶；(3)将步骤(2)中的干凝胶放置在方舟中，然后...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭继玺，丁莉莉，吴雪岩，
申请(专利权)人：新疆大学，
类型：发明
国别省市：新疆,65