一种高比表多元素掺杂的炭微米管-炭气凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高比表多元素掺杂的炭微米管‑炭气凝胶的制备方法，包括如下步骤：(1)先将梧桐絮于300‑400℃下进行预炭化得炭微米管；(2)将葡萄糖水溶液和石蜡混合均匀后加入炭微米管超声，再加入丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵得复合凝胶，经低温炭化得到炭微米管‑炭气凝胶前驱体；(3)将炭微米管‑炭气凝胶前驱体和氢氧化钾溶液浸渍蒸干，高温炭化即得炭微米管‑炭气凝胶。本发明专利技术利用炭微米管与炭气凝胶进行复合，中空管状结构的炭微米管可以提升复合材料的机械性能，同时炭微米管本身含有丰富的氮、硫、钾、钙杂元素可同步引入炭微米管‑炭气凝胶复合材料中，提升复合材料的导电性、电化学性能和吸附性。

A high specific element multi element doped carbon microtube carbon aerogel and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种高比表多元素掺杂的炭微米管-炭气凝胶及其制备方法
本专利技术属于炭材料
，具体涉及一种高比表多元素掺杂的炭微米管-炭气凝胶及其制备方法。
技术介绍
炭气凝胶作为一种新型炭材料，具有超高的比表面积(600～1100m2/g)、超低的密度、较高的孔隙率和稳定的物理化学性能广泛应用于吸附、能量储存和转换、隔热、航天航空等领域。近年来备受科研人员的关注。炭气凝胶与传统的无机气凝胶(如硅气凝胶)相比，炭气凝胶具有许多优异的性能和更加广阔的应用前景。炭气凝胶具有导电性好、比表面积大、密度变化范围广等特点，是制备双电层电容器理想的电极材料。炭气凝胶是唯一具有导电性的气凝胶，可用于超级电容器的电板材料。有机气凝胶及炭气凝胶具有生物机体相容性，使得其可用于制造人造生物组织、人造器官及器官组件、医用诊断剂及胃肠外给药体系的药物载体。特别是在锂二次电池领域，炭气凝胶近年来也得到了一定的运用，并取得了一定效果。如：(1)作为锂离子电池的导电剂，采用不同的干燥方法来制备炭气凝胶并将其作为导电剂，在对锂-二氧化锰电池大电流放电性能的测试中发现，以CO2超临界干燥制备的炭气凝胶作为导电剂的电池放电比容量最大，100mA恒流放电比容量达到101.0mAh/g，明显高于商业乙炔黑导电剂(76.7mAh/g)。(2)作为锂离子电池的电极材料等，采用富硫炭气凝胶复合材料具有较高的电导率,并且炭气凝胶具有较多的微孔,使得硫单质在充放电时不易溶出，将其作为阳极材料可以显著地提高锂硫电池的循环性能。(3)作为锂硫电池正极材料硫的载体，利用氢氧化钾对气凝胶进行活化处理制得活性炭气凝胶(ACA-500)，并在此基础上将硫化物渗透到ACA-500中，然后在ACA-500-S复合材料表面进行苯胺原位聚合，制得聚苯胺(PANI)涂层-活性炭气凝胶/硫(ACA-500-S@PANI)复合材料。该复合材料在初始循环时的放电比容量为926mAh/g，在1C倍率下循环700个周期后为615mAh/g，显示出极低的比容量衰减率(每循环0.48％)，而且高导电的PANI涂层进一步提高了电极的导电性，防止了多硫化物的溶解。这些应用的实例充分肯定了炭气凝胶在锂二次电池中的应用前景。但对于多数炭气凝胶而言，孔径分布以大孔居多，在用作锂硫电池等电极活性材料的载体时，难以对多硫化物起到较好的吸附作用，无法保障高循环锂硫电池的实现。且由于导电性在实际使用过程中对电极材料的性能起着至关重要的作用，既能提高电极材料的容量，也有利于电极材料的能量转化比的提升，还对电极的循环性能起到积极的作用，因此，进一步提升炭气凝胶的导电性在扩大其应用领域方面也显得尤为重要。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是在于提供了一种工艺简单、周期短、环境友好的高比表多元素掺杂的炭微米管-炭气凝胶的制备方法，以葡萄糖和石蜡为原料经石蜡乳化法制得的炭气凝胶为载体，利用梧桐絮经预炭化后得到的中空管状结构、富含丰富的氮、硫、钾、钙杂元素的炭微米管为掺杂源，得到高比表多元素掺杂的炭微米管-炭气凝胶，既能保留炭气凝胶超高的比表面积，同时梧桐絮炭化后独特的中空管状结构又能提升炭气凝胶的机械性能，还能在炭气凝胶中引入氮、硫、钾、钙元素，提升炭气凝胶的导电性、吸附性等性能，拓宽了炭气凝胶的使用领域。本专利技术制备的炭气凝胶原料来源广泛、价格低廉、对环境友好、制备简单、有良好的可重复性，适合大规模工业化生产。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种高比表多元素掺杂的炭微米管-炭气凝胶的制备方法，包括如下步骤：(1)将梧桐絮于300-400℃下进行预炭化，然后经酸洗、水洗至中性后干燥得炭微米管；(2)将葡萄糖水溶液和石蜡混合均匀后得到糖水包油乳液，加入步骤(1)的炭微米管进行超声，再加入丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵得复合凝胶，经冷冻干燥后于350℃-450℃下低温炭化得到炭微米管-炭气凝胶前驱体；(3)将步骤(2)的炭微米管-炭气凝胶前驱体和氢氧化钾溶液于110-150℃浸渍蒸干，在惰性气氛下于750-850℃下高温炭化，再经酸洗、水洗至中性后干燥即得炭微米管-炭气凝胶。优选的，步骤(1)中，梧桐絮先用去离子水和乙醇的混合液清洗，110℃干燥12h后，于300-400℃下进行预炭化2h，然后置于5-8mol/L的浓硫酸中于65℃下搅拌10min，水洗至中性后干燥干燥得炭微米管，所述炭微米管的管径为10-50μm，长度为50-200μm。收集的梧桐絮经过预碳化除去了含有的水分，得到富含硫、氮、钾、钙杂元素的炭微米管，再经过浓硫酸的酸洗使炭微米管粗化，增强了其与炭气凝胶的复合性。优选的，步骤(2)中，按葡萄糖和石蜡质量比为3.5-4.5：1，将石蜡和葡萄糖溶液于70℃下混合均匀，所述炭微米管的添加量为葡萄糖的20-80wt％，丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵和葡萄糖的质量比为0.9：0.1：0.2：3。优选的，步骤(3)中，按氢氧化钾和炭气凝胶前驱体质量比为3-5：1，将炭气凝胶前驱体置于氢氧化钾溶液中于110-150℃浸渍10h，然后在惰性气氛下于750-850℃下高温炭化2h，再用3mol/L的稀盐酸酸洗、水洗至中性后干燥即得炭微米管-炭气凝胶。本专利技术还提供了上述制备方法制得的高比表多元素掺杂的炭微米管-炭气凝胶，所述炭微米管-炭气凝胶的颗粒尺寸为50-500μm，比表面积为1500-3000m2/g，孔径分布为2-5nm，孔隙率为80-90％，其中氮的掺杂量为0.1-0.3wt％，硫的掺杂量为0.05-0.2wt％，钾的掺杂量为0.3-0.6wt％，钙的掺杂量为0.1-0.4wt％。本专利技术以葡萄糖和石蜡为原料经石蜡乳化法制得的炭气凝胶为载体，利用梧桐絮经预炭化后得到的中空管状结构、富含丰富的氮、硫、钾、钙杂元素的炭微米管为掺杂源，得到高比表多元素掺杂的炭微米管-炭气凝胶，克服了传统炭气凝胶(R-F炭气凝胶)存在的醛类物质对人体有毒、置换时间长、干燥费用高等缺点，具有成本低、制备周期短和对环境友好等优点。中空管状结构的炭微米管分散在炭气凝胶内部，可以提升复合材料的机械性能，同时炭微米管本身含有丰富的氮、硫、钾、钙杂元素可同步引入炭微米管-炭气凝胶复合材料中，可以提升复合材料的导电性、电化学性能和吸附性(其中氮元素的引入能够提升复合材料的导电性，硫元素的引入能够提升复合材料的电化学性能，钾元素的引入能够提升复合材料的电化学性能和吸附性，钙元素的引入能提升炭气凝胶的吸附性)。与现有技术相比，本专利技术的优势在于：(1)本专利技术利用梧桐絮经预炭化后得到的中空管状结构、富含丰富的氮、硫、钾、钙杂元素的炭微米管与炭气凝胶进行一步复合，中空管状结构的炭微米管分散在炭气凝胶内部，可以提升复合材料的机械性能，同时炭微米管本身含有丰富的氮、硫、钾、钙杂元素可同步引入炭微米管-炭气凝胶复合材料中，可以提升复合材料的导电性、电化学性能和吸附性。(2)本专利技术的炭微米管-炭气凝胶，孔径主要分布在中微孔范围内，具有高的孔隙率和比表面积，有利于其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高比表多元素掺杂的炭微米管-炭气凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)将梧桐絮于300-400℃下进行预炭化，然后经酸洗、水洗至中性后干燥得炭微米管；/n(2)将葡萄糖水溶液和石蜡混合均匀后得到糖水包油乳液，加入步骤(1)的炭微米管进行超声，再加入丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵得复合凝胶，经冷冻干燥后于350℃-450℃下低温炭化得到炭微米管-炭气凝胶前驱体；/n(3)将步骤(2)的炭微米管-炭气凝胶前驱体和氢氧化钾溶液于110-150℃浸渍蒸干，在惰性气氛下于750-850℃下高温炭化，再经酸洗、水洗至中性后干燥即得炭微米管-炭气凝胶。/n

【技术特征摘要】
1.一种高比表多元素掺杂的炭微米管-炭气凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将梧桐絮于300-400℃下进行预炭化，然后经酸洗、水洗至中性后干燥得炭微米管；
(2)将葡萄糖水溶液和石蜡混合均匀后得到糖水包油乳液，加入步骤(1)的炭微米管进行超声，再加入丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵得复合凝胶，经冷冻干燥后于350℃-450℃下低温炭化得到炭微米管-炭气凝胶前驱体；
(3)将步骤(2)的炭微米管-炭气凝胶前驱体和氢氧化钾溶液于110-150℃浸渍蒸干，在惰性气氛下于750-850℃下高温炭化，再经酸洗、水洗至中性后干燥即得炭微米管-炭气凝胶。


2.根据权利要求1所述的一种高比表多元素掺杂的炭微米管-炭气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，梧桐絮先用去离子水和乙醇的混合液清洗，110℃干燥12h后，于300-400℃下进行预炭化2h，然后置于5-8mol/L的浓硫酸中于65℃下搅拌10min，水洗至中性后干燥干燥得炭微米管，所述炭微米管的管径为10-50μm，长度为50-200μm。


3.根据权利要求1所述的一种高比表多元素...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷维新，夏爽，潘勇，夏鹏涛，王旭日，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43