一种碳气凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种超级电容器电极用碳气凝胶及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：S1、分别配制铝盐微乳液和氨水微乳液；S2、将S1中的铝盐微乳液和氨水微乳液混合，然后将混合溶液进行静电纺丝，得到纳米氧化铝前驱体；S3、将S2中的纳米氧化铝前驱体和可溶性有机碳源加入溶剂中，搅拌成浆料，然后干燥得到有机碳源/纳米氧化铝前驱体复合物；S4、将S3中的有机碳源/纳米氧化铝前驱体复合物高温碳化，得到所述碳气凝胶。本发明专利技术提供的碳气凝胶具有高比表面积、高孔隙率且具有三维连通孔洞结构，由该碳气凝胶制备得到的超级电容器兼具高体积能量密度和高功率密度。能量密度和高功率密度。

【技术实现步骤摘要】
一种碳气凝胶及其制备方法


[0001]本专利技术涉及碳气凝胶
，具体涉及一种超级电容器电极用碳气凝胶及其制备方法。

技术介绍

[0002]碳气凝胶是一种由纳米碳颗粒相互连结而成的纳米级多孔材料，其基本特点为孔隙率高以及比表面积高，因其具有高导电率、可直接成型等特点，是制备超级电容器的理想电极材料之一，也是当前研究的热点。在传统碳气凝胶的制备过程中，通常采用溶胶凝胶法制成有机湿凝胶，再经超临界CO2干燥转化为有机气凝胶，最后在惰性气体保护下将有机气凝胶高温碳化而成。其中，超临界干燥是溶胶凝胶法制备碳气凝胶的重要步骤，这是由于超临界干燥可以消除气体界面，有效保持凝胶孔结构，从而保证湿凝胶碳化后保持三维网络结构。但是超临界干燥成本高、过程复杂、产率低，且具有一定的危险性，严重阻碍了碳气凝胶的产业化进程。
[0003]针对超临界干燥有机湿凝胶工艺存在的具体问题，开发可替代超临界干燥的其他干燥工艺来干燥有机湿凝胶成为当前的研究热点之一。冷冻干燥被认为是替换超临界干燥工艺的优选方法。中国专利CN113387344A中，通过添加环氧氯丙烷辅助形成前驱体凝胶并采用冷冻干燥制备出碳气凝胶，工艺流程如下：首先将碳纳米管分散于去离子水中，制得碳纳米管分散液；然后向所述碳纳米管分散液中加入间苯二酚、甲醛和碳酸钠，同时滴入环氧氯丙烷，制得水凝胶前驱体溶胶后密封放置形成前驱体凝胶；再将所述前驱体凝胶进行溶剂置换，并冷冻干燥，制得酚醛包覆的碳纳米管气凝胶；最后对所述酚醛包覆的碳纳米管气凝胶高温煅烧，从而制得碳气凝胶。中国专利CN113120879A提供了一种按冷冻干燥工艺制备出兼具优良的电磁屏蔽性能和生物传感性能的碳气凝胶材料的方法，通过将纳米纤维素
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氧化石墨烯水分散液与聚甲基丙烯酸甲酯溶液混合，得到纳米纤维素稳定的水包油型乳液；然后冷冻干燥，得到纳米纤维素
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氧化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合气凝胶；最后退火处理得到碳气凝胶材料。由于冷冻干燥需要在
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50℃的低温以及30Pa以下的极高真空度下才能进行，干燥效率及产率均很低，这是因为溶剂挥发的速率很慢，干燥时间一般不低于48h，干燥的物料填充比也很少，使得干燥成本高，难以大规模生产。
[0004]常压干燥是另一种替换超临界干燥过程制备碳气凝胶的优选方法。中国专利CN111498828A提供了一种利用常压干燥制备碳气凝胶的方法，通过在反应单体和催化剂体系中引入F127高分子聚合物增强剂。利用溶胶
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凝胶法制成湿凝胶并进行老化处理，用低表面张力溶剂置换出湿凝胶中的水分，再置于空气中常压干燥即得有机气凝胶，最后将有机气凝胶碳化即得碳气凝胶。与加入P123相比，加入F127高分子聚合物增强剂制备出的碳气凝胶的孔径更大，材料的比表面积更高(可达801.1m2/g)，从而更有利于电解液的传输以及材料电容性能的进一步提升。不过，由于制备出的材料孔径达到2μm以上，将这样的材料用于超级电容器时，较大的孔隙不仅会吸纳过多的电解液，增加超级电容器制造成本，而且会显著降低超级电容器电极的压实密度，最终导致超级电容器产品的体积能量密度偏低。中
国专利CN113860284A公开了一种在常压下快速加热干燥制备碳气凝胶的方法，先将类石墨微晶碳纳米材料、酚、甲醛、催化剂和去离子水混合成均匀悬浮液，密封静置实现凝胶化；然后将湿凝胶转移到烘箱进行老化处理，在管式炉中进行干燥，最后碳化得到碳气凝胶。这种方法通过直接加热干燥有机凝胶，过程简单，大大缩短了制备时间，也有利于将干燥与碳化过程集成为一个加热的连续化操作过程。但是，由于该方法在制备碳气凝胶过程中加入了类石墨微晶碳纳米材料，导致制备出的碳气凝胶中包含较多的类石墨微晶碳纳米材料杂质，这些杂质会堵塞碳气凝胶的一些微孔结构，导致碳气凝胶的离子传输能力和循环稳定性不佳，因此难以应用于超级电容器电极中。
[0005]中国专利CN112645302A公开了一种碳气凝胶的产业化生产制备方法。工艺流程为：将间苯二酚和间苯三酚的混合物与甲醛和去离子水混合，再加入脂环胺类混合均匀并在56℃进行凝胶反应，得到中间产物；对中间产物依次进行老化、干燥和分步碳化处理，得到碳气凝胶。这种方法解决了酸洗、溶剂交换过程中产生的废液量大和超临界干燥成本高的问题，实现了碳气凝胶的产业化生产。不过，由于间苯二酚和间苯三酚的混合物与甲醛发生凝胶化反应的时间很长，导致碳气凝胶的生产效率较低。
[0006]综上所述，碳气凝胶的制备工艺仍有较大提升空间。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于：
[0008](1)针对现有溶胶凝胶法制备碳气凝胶工艺流程复杂、有机湿凝胶干燥过程具有危险性、生产成本高、产率低以及生产出的碳气凝胶材料密度低的固有问题，提供一种高比表面积、高孔隙率且具有三维连通孔洞结构的碳气凝胶材料及其制备方法；
[0009](2)提供一种压实密度高的超级电容器用电极材料；
[0010](3)提供一种兼具高体积能量密度和高功率密度的超级电容器。
[0011]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0012]一方面，本专利技术提供一种碳气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0013]S1、分别配制铝盐微乳液和氨水微乳液；
[0014]S2、将S1中的铝盐微乳液和氨水微乳液混合，然后将混合溶液进行静电纺丝，得到纳米氧化铝前驱体；
[0015]S3、将S2中的纳米氧化铝前驱体和可溶性有机碳源加入溶剂中，搅拌成浆料，然后干燥得到有机碳源/纳米氧化铝前驱体复合物；
[0016]S4、将S3中的有机碳源/纳米氧化铝前驱体复合物高温碳化，得到所述碳气凝胶。
[0017]进一步地，步骤S1中，所述铝盐微乳液和氨水微乳液的制备方法包括：将去离子水、表面活性剂和油混合得到微乳液，并将所述微乳液分成两份，其中一份加入铝盐，另一份加入氨水，充分搅拌后分别得到铝盐微乳液和氨水微乳液。其中，“将所述微乳液分成两份”可以随意分配(平分或者不平分均可)，根据二者随意分配的体积，分别添加合适用量的铝盐和氨水，从而得到特定浓度的铝盐微乳液和氨水微乳液。
[0018]优选地，所述去离子水、表面活性剂和油的质量比为(45
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65)：(10
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20)：(30
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45)。通过控制去离子水、表面活性剂和油的质量比，形成油包水型微乳液，确保铝盐微乳液和氨水微乳液经机械混合后不会发生破乳反应。
[0019]在本专利技术的具体实施例中，所述去离子水、表面活性剂和油的质量比为50:10:40、50:20:30、60:10:30。
[0020]优选地，所述铝盐微乳液的浓度为0.015
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0.05mol/L，所述氨水微乳液的浓度为0.045
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0.15mol/L。
[0021]更优选地，所述铝盐微乳液的浓度为0.015
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0.03mol/L，所述氨水微乳液的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、分别配制铝盐微乳液和氨水微乳液；S2、将S1中的铝盐微乳液和氨水微乳液混合，然后将混合溶液进行静电纺丝，得到纳米氧化铝前驱体；S3、将S2中的纳米氧化铝前驱体和可溶性有机碳源加入溶剂中，搅拌成浆料，然后干燥得到有机碳源/纳米氧化铝前驱体复合物；S4、将S3中的有机碳源/纳米氧化铝前驱体复合物高温碳化，得到所述碳气凝胶。2.根据权利要求1所述的碳气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述铝盐微乳液和氨水微乳液的制备方法包括：将去离子水、表面活性剂和油混合得到微乳液，并将所述微乳液分成两份，其中一份加入铝盐，另一份加入氨水，充分搅拌后分别得到铝盐微乳液和氨水微乳液；优选地，所述去离子水、表面活性剂和油的质量比为(45
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65)：(10
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20)：(30
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45)；优选地，所述铝盐微乳液的浓度为0.015
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0.05mol/L，所述氨水微乳液的浓度为0.045
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0.15mol/L。3.根据权利要求2所述的碳气凝胶的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂选自十二烷基硫酸钠、十二烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵、双(2
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乙基己基)琥珀酸酯磺酸钠中的一种或多种；所述油选自环己烷、正庚烷、正辛烷、正壬烷和正癸烷中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的碳气凝胶的制备方法，其特征在于，所述铝盐选自AlCl3、Al2(SO4)3、Al(NO3)3中的一种或多种；所述氨水微乳液的pH为10
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11；优选地，步骤S2中，所述铝盐微乳液与所述氨水微乳液按照(4
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7)：(3
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6)的质量比例进行混合。5.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭义敏，郭德超，张啟文，
申请(专利权)人：东莞东阳光科研发有限公司，
类型：发明
国别省市：