一种复合多孔气凝胶材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种复合多孔气凝胶材料的制备方法，具体步骤如下：纤维素纳米纤维、氧化石墨烯接枝聚苯胺分散在去离子水中，后加入ZIF

【技术实现步骤摘要】
一种复合多孔气凝胶材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种复合多孔气凝胶材料的制备方法，属于新型碳材料和电化学领域。

技术介绍

[0002]随着人类社会的快速发展，能源的消耗速度也在快速增长。能源枯竭成为人类需要面临的严峻挑战。开发新型的可再生能源成为当今科学研究的热点。超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，具有功率密度高、能量密度大、循环寿命长和工作温限宽等优点，已广泛应用于交通、通讯、信息技术和国防等领域。
[0003]气凝胶是指通过溶胶凝胶法，用一定的干燥方式使气体取代凝胶中的液相而形成的一种纳米级多孔固态材料。有机气凝胶经过烧结工艺处理后将得到碳气凝胶。这种导电多孔材料是继活性碳以后发展起来的一种新型碳素材料。密度轻、比表面积大、和高电导率，可制成可充电电池。它具有储电容量大、电阻小，密度轻充放电能力强等优异特性，可作为超级电容器的电极材料。
[0004]石墨烯气凝胶由于具有三维相互连通的结构，作为电极材料有利于离子扩散和电子传输。早期的研究发现，由于气凝胶的孔和石墨烯片层结构易于堆积，比电容仅能达到120F/g，后续通过不断的改进和功能化，比电容得到大大的提高。且气凝胶良好的弹性，使其在柔性电极上表现突出。例如Si等人以次磷酸和碘为还原剂，通过自组装还原的方法合成了还原氧化石墨烯气凝胶(RGOA)。RGOA比表面积高达830m2/g，在KOH和H2SO4为溶液电解质，比电容分别达到211.8和278.6F/g(Si W,et al.,Reduced graphene oxide aerogel with high
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rate supercapacitive performance in aqueous electrolytes.Nanoscale Research Letters,2013,8,1)。因此如何提高石墨烯气凝胶的比电容成为科学研究的热点。

技术实现思路
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[0005]本专利技术的目的在于提供一种复合多孔气凝胶材料的制备方法，以解决现有技术中所存在的上述问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种复合多孔气凝胶的制备方法，其包括如下步骤：
[0008]分别制备纤维素纳米纤维、ZIF
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8金属有机框架和氧化石墨烯接枝聚苯胺；
[0009]将所述纤维素纳米纤维、氧化石墨烯接枝聚苯胺分散在去离子水中，加入ZIF
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8金属有机框架，持续超声分散和搅拌，得到纤维素纳米纤维/氧化石墨烯接枝聚苯胺/ZIF
‑
8分散液；
[0010]将所述纤维素纳米纤维/氧化石墨烯接枝聚苯胺/ZIF
‑
8分散液倒入模具中，依次液氮冷冻处理、冷冻干燥得到纤维素纳米纤维/氧化石墨烯接枝聚苯胺/ZIF
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8气凝胶；
[0011]将所述纤维素纳米纤维/氧化石墨烯接枝聚苯胺/ZIF
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8气凝胶，在氮气保护下从
25℃升温至250～300℃，保温2～3h，接着从250～300℃升温至900～1000℃，保温10～15h，得到碳纤维/氮掺杂石墨烯/多孔碳复合多孔气凝胶，即所述的复合多孔气凝胶材料。
[0012]作为优选方案，所述纤维素纳米纤维的制备方法如下：
[0013]将三醋酸纤维素溶解在N,N'
‑
二甲基甲酰胺溶剂中，得到前驱体溶液；
[0014]将所述前驱体溶液在
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40～
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10℃下冷冻100～200min后，除去N,N'
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二甲基甲酰胺溶剂，冷冻干燥得到三醋酸纤维素纳米纤维膜；
[0015]将所述三醋酸纤维素纳米纤维膜浸泡在氢氧化钠/乙醇溶液中，水解后洗涤、干燥得到纤维素纳米纤维。
[0016]作为优选方案，所述前驱体溶液中，三醋酸纤维素的质量浓度为4～12％。
[0017]作为优选方案，所述ZIF
‑
8金属有机框架的制备方法如下：
[0018]将Co(NO3)
·
6H2O和0.55g Zn(NO3)
·
6H2O溶于甲醇中，后加入二甲基咪唑/甲醇溶液，得到反应液；
[0019]将所述反应液在110℃下进行水热反应10h后，甲醇洗涤、干燥得到干燥产物，将干燥产物放入在氮气保护下以5～10℃/min的升温速率从25℃升温至300～350℃，恒温3～5h，自然冷却得到ZIF
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8金属有机框架。
[0020]作为优选方案，所述Co(NO3)
·
6H2O、Zn(NO3)
·
6H2O和二甲基咪唑的质量比为(2～4)：(4～6)：(8～15)。
[0021]作为优选方案，所述氧化石墨烯接枝聚苯胺制备方法如下：
[0022]将氧化石墨烯分散到浓氨水中，在95℃下进行水热反应6h，得到氨基改性氧化石墨烯；
[0023]将所述氨基改性氧化石墨烯、异丙醇、蒸馏水，盐酸溶液和苯胺混匀后，在冰水浴的条件下滴加过硫酸铵水溶液，反应6h后，得到氧化石墨烯接枝聚苯胺。
[0024]作为优选方案，所述氨基改性氧化石墨烯与苯胺的质量比为(1～3)：(3～6)。
[0025]一种由前述的制备方法得到的复合多孔气凝胶材料。
[0026]本专利技术的基本原理为：
[0027]1)以三醋酸纤维素为聚合物，通过热致相分离方法、冷冻干燥、除去溶剂得到三醋酸纤维素纳米纤维，后将三醋酸纤维素纳米纤维在氢氧化钠/乙醇溶液中水解得到纤维素纳米纤维；采用醇热法将Co(NO3)
·
6H2O和Zn(NO3)
·
6H2O与二甲基咪唑反应，最后煅烧得到ZIF
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8；采用浓氨水对氧化石墨烯改性，引入氨基，利用氧化石墨烯上的氨基与苯胺接枝聚合得到氮掺杂石墨烯接枝聚苯胺。
[0028]2)将纤维素纳米纤维、氧化石墨烯接枝聚苯胺和ZIF
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8分散在去离子水中，接着液氮冷冻、冷冻干燥得到纤维素纳米纤维/氧化石墨烯接枝聚苯胺/ZIF
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8气凝胶。最后将气凝胶预氧化和高温碳化，把纤维素纳米纤维转变为碳纤维、氧化石墨烯接枝聚苯胺转变为氮掺杂石墨烯，最终得到碳纤维/氮掺杂石墨烯/多孔碳复合多孔气凝胶。
[0029]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0030]1)碳纤维/氮掺杂石墨烯/多孔碳复合多孔气凝胶电极材料，利用ZIF
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8蓬松的三维骨架结构，促进了电解质离子的传递，提高了电解质与电极之间的浸润性。
[0031]2)三维碳网络骨架的存在，防止了氮掺杂氧化石墨烯的堆叠，提高了氮掺杂氧化石墨烯与电解液之间的接触面积，大大提高气凝胶材料的比电容。
[0032]3)该制备方法工艺稳定、易于操作、质量可靠、成本低廉，质量轻，无污染本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合多孔气凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：分别制备纤维素纳米纤维、ZIF
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8金属有机框架和氧化石墨烯接枝聚苯胺；将所述纤维素纳米纤维、氧化石墨烯接枝聚苯胺分散在去离子水中，加入ZIF
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8金属有机框架，持续超声分散和搅拌，得到纤维素纳米纤维/氧化石墨烯接枝聚苯胺/ZIF
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8分散液；将所述纤维素纳米纤维/氧化石墨烯接枝聚苯胺/ZIF
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8分散液倒入模具中，依次液氮冷冻处理、冷冻干燥得到纤维素纳米纤维/氧化石墨烯接枝聚苯胺/ZIF
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8气凝胶；将所述纤维素纳米纤维/氧化石墨烯接枝聚苯胺/ZIF
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8气凝胶，在氮气保护下从25℃升温至250～300℃，保温2～3h，接着从250～300℃升温至900～1000℃，保温10～15h，得到碳纤维/氮掺杂石墨烯/多孔碳复合多孔气凝胶，即所述的复合多孔气凝胶材料。2.如权利要求1所述的复合多孔气凝胶的制备方法，其特征在于，所述纤维素纳米纤维的制备方法如下：将三醋酸纤维素溶解在N,N'
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二甲基甲酰胺溶剂中，得到前驱体溶液；将所述前驱体溶液在
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40～
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10℃下冷冻100～200min后，除去N,N'
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二甲基甲酰胺溶剂，冷冻干燥得到三醋酸纤维素纳米纤维膜；将所述三醋酸纤维素纳米纤维膜浸泡在氢氧化钠/乙醇溶液中，水解后洗涤、干燥得到纤维素纳米纤维。3.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘瑞来，丁晓红，赵升云，胡家朋，徐婕，穆寄林，赵瑨云，付兴平，
申请(专利权)人：武夷学院，
类型：发明
国别省市：