【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及碳气凝胶制备，具体为一种碳气凝胶的制备方法及其在电解水制氢和钠离子电池中的应用。
技术介绍
1、随着化石燃料等不可再生资源的逐渐枯竭，以及环境污染的日益严重，寻找替代能源一直是全球关注的问题。为了解决这一紧迫问题，人们进行了许多尝试来探索各种替代性的储能和转换技术，如太阳能电池、锂离子电池、钠离子电池、超级电容器、燃料电池、金属-空气电池、电解水制氢等。其中碳材料作为负载型电解水制氢催化剂载体以及钠离子电池负极材料有着广泛的应用，析氢反应(her)是电解水制氢的关键反应步骤，其反应过程复杂，能量势垒高，通常需要较大的过电位驱动。
2、目前，pt/c仍然是her反应中最常用的催化剂，但其价格高、易中毒、储存量低、载体活性低、寿命较短限制了其广泛应用，另外作为钠离子电池负极材料的碳材料也存在较差的倍率性能以及首次库伦效率普遍较低等缺点，影响产业实际应用。因此，开发高活性、低成本、来源丰富、性能稳定的新型碳材料，是推动电解水制氢与钠离子电池负极技术发展的关键问题。
3、碳化物是一种高硬度、高熔点和化学性质稳定的化合物，一般通过原位生成法制得，在制备过程中控制工艺参数将碳化物制成气凝胶结构，可提升气凝胶材料的使用性能，与传统的二氧化硅气凝胶相比，碳气凝胶具有更高的强度、更大的孔隙率、更小的颗粒直径、更大的比表面积及更低的高温热导率，在催化剂载体、电容器及吸附材料等领域具有广阔的应用前景，但是常规移除碳气凝胶孔隙中水分的方法为冷冻干燥法，成本高，操作复杂，不适合规模化制备。
1、本专利技术要解决的技术问题是：如何开发出高活性、低成本、性能优异的碳气凝胶，能同时应用于电解水制氢和钠离子电池负极材料领域。本专利技术将碳材料先进行氧化，在其表面制造含氧官能团，如羟基、羧基、羰基等，氧化过程同时能够扩大碳材料层间距并制造缺陷以降低石墨化程度；接着加入微量氧化石墨烯，微量氧化石墨烯的加入能够起到诱导成型作用，为碳气凝胶的结构形成起到极大的促进作用，同时在还原剂的作用下消除含氧官能团，蓬松多孔的碳气凝胶结构得以形成；再进行反复的冰冻、解冻步骤以稳定碳气凝胶结构特征，在常温常压下干燥移除水分即可得到具有超高比表面积的多孔碳气凝胶材料。
2、相较于常规的碳气凝胶制备方法，本方法的工艺更为简单，常温常压条件即可实现，控制了生产成本且适合规模化制备。本专利技术制备的碳气凝胶作为负载型催化剂载体时，得益于其较高的比表面积和多孔性能，负载金属纳米粒子在酸性和碱性条件下均展示出极其优异的电解水析氢性能；本专利技术制备的碳气凝胶作为钠离子电池负极材料时，在50mah/g的电流密度下电池可逆比容量高达360mah/g，首效达到了90％，超越了绝大多数报道的硬碳材料。
3、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种碳气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
4、s1：将碳材料加入去离子水中，再加入氧化剂进行氧化反应，得到氧化碳材料；
5、s2：将氧化碳材料加入溶剂中超声混匀，再加入氧化石墨烯和还原剂，将反应容器密闭并加热反应，冷却后得到含水碳气凝胶；
6、s3：将含水碳气凝胶反复进行冰冻、室温解冻，干燥后得到碳气凝胶材料。
7、优选的，所述步骤s1中碳材料在去离子水中浓度为2～6mg/ml，所述碳材料与氧化剂质量比为1：4～8，所述氧化反应的温度为60～100℃、时间为8～24h。
8、优选的，所述碳材料为生物质碳、碳纳米管以及zif8衍生碳中的一种或几种，所述氧化剂为硝酸、过氧化氢、高锰酸钾、过硫酸铵中的一种或几种，所述生物质碳为柚子皮、荔枝壳、花生壳、椰壳中的一种或几种。
9、优选的，所述步骤s2中氧化碳材料在溶剂中的浓度为2～6mg/ml，所述氧化石墨烯的用量为氧化碳材料质量的0.01～0.1倍，所述氧化碳材料与还原剂的质量比为1：2～5，所述加热反应的温度为70～120℃、时间为8～24h。
10、优选的，所述溶剂为去离子水、乙醇、甲醇、乙二醇中的一种或几种，所述还原剂为亚硫酸钠、硼氢化钠、维生素c、尿酸中的一种或几种。
11、优选的，所述步骤3中冰冻的温度为-18～0℃、时间为8～24h，所述室温解冻的时间为24～48h，所述反复的次数为2～4次。
12、一种碳气凝胶，所述碳气凝胶由任一上述的碳气凝胶的制备方法制得。
13、上述的一种碳气凝胶作为析氢催化剂载体在电解水制氢中的应用。
14、优选的，所述催化剂的制备方法为：按照10～50：1的质量比称取碳气凝胶和金属前驱体，将碳气凝胶加入金属前驱体溶液中，使得碳气凝胶的浓度为0.05～0.2mg/ml，浸泡后真空干燥，然后进行烧结处理，得到负载金属纳米颗粒的碳气凝胶析氢催化剂；
15、所述金属前驱体为水合氯化钌、氯铂酸、水合氯化钴、水合氯化镍中的一种或几种，所述金属前驱体溶液中的溶剂为水、乙醇、甲醇中的一种或几种，所述烧结的温度为600～900℃、时间为2～4h，保护气氛为n2、ar中的一种。
16、上述的一种碳气凝胶作为电极浆料材料在钠离子电池负极材料中的应用。
17、优选的，将制备的碳气凝胶、乙炔黑、聚偏氟乙烯按照质量比混合均匀，在去离子水中搅拌得到电极浆料，即可作为钠离子电池负极材料，所述碳气凝胶、乙炔黑、聚偏氟乙烯的质量比为6:2:2、7:2:1、8:1:1中的一种。
18、与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
19、(1)本专利技术先将碳材料进行氧化使得材料表面出现含氧官能团，同时氧化过程能够扩大碳材料层间距并制造缺陷以降低石墨化程度，微量氧化石墨烯的加入能够诱导成型，在还原剂的作用下消除含氧官能团，使得碳气凝胶为蓬松多孔结构。
20、(2)本专利技术提出的碳气凝胶的制备方法工艺简单，常温常压下即可移除碳气凝胶孔隙中的水分，保持了碳气凝胶刚性骨架的同时降低了生产成本，适用于生物质炭，碳纳米管和zif8衍生碳，适合大批量、规模化制备。
21、(3)本专利技术制备出的碳气凝胶作为电解水析氢催化剂载体时，得益于其较高的比表面积和多孔性能，负载金属纳米粒子在酸性和碱性条件下均展示出极其优异的电解水析氢性能；作为钠离子电池负极材料时，电化学性能优异，超越了绝大多数报道的硬碳材料。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种碳气凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种碳气凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中碳材料在去离子水中浓度为2～6mg/mL，所述碳材料与氧化剂质量比为1：4～8，所述氧化反应的温度为60～100℃、时间为8～24h。
3.根据权利要求1所述的一种碳气凝胶的制备方法，其特征在于，所述碳材料为生物质碳、碳纳米管以及ZIF8衍生碳中的一种或几种，所述氧化剂为硝酸、过氧化氢、高锰酸钾、过硫酸铵中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种碳气凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中氧化碳材料在溶剂中的浓度为2～6mg/mL，所述氧化石墨烯的用量为氧化碳材料质量的0.01～0.1倍，所述氧化碳材料与还原剂的质量比为1：2～5，所述加热反应的温度为70～120℃、时间为8～24h。
5.根据权利要求1所述的一种碳气凝胶的制备方法，其特征在于，所述溶剂为去离子水、乙醇、甲醇、乙二醇中的一种或几种，所述还原剂为亚硫酸钠、硼氢化钠、维生素C、尿酸中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的一
7.一种碳气凝胶，其特征在于，所述碳气凝胶由权利要求1-6任一所述的碳气凝胶的制备方法制得。
8.权利要求7所述的一种碳气凝胶作为析氢催化剂载体在电解水制氢中的应用。
9.根据权利要求8所述的一种析氢催化剂，其特征在于，所述催化剂的制备方法为：按照10～50：1的质量比称取碳气凝胶和金属前驱体，将碳气凝胶加入金属前驱体溶液中，使得碳气凝胶的浓度为0.05～0.2mg/mL，浸泡后真空干燥，然后进行烧结处理，得到负载金属纳米颗粒的碳气凝胶析氢催化剂；
10.权利要求7所述的一种碳气凝胶作为电极浆料材料在钠离子电池负极材料中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种碳气凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种碳气凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中碳材料在去离子水中浓度为2～6mg/ml，所述碳材料与氧化剂质量比为1：4～8，所述氧化反应的温度为60～100℃、时间为8～24h。
3.根据权利要求1所述的一种碳气凝胶的制备方法，其特征在于，所述碳材料为生物质碳、碳纳米管以及zif8衍生碳中的一种或几种，所述氧化剂为硝酸、过氧化氢、高锰酸钾、过硫酸铵中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种碳气凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中氧化碳材料在溶剂中的浓度为2～6mg/ml，所述氧化石墨烯的用量为氧化碳材料质量的0.01～0.1倍，所述氧化碳材料与还原剂的质量比为1：2～5，所述加热反应的温度为70～120℃、时间为8～24h。
5.根据权利要求1所述的一种碳气凝胶的制备方法，其特征在于，所述溶剂为去离子水、乙醇、...
【专利技术属性】
技术研发人员：贾海浪，吉鹏程，关明云，庄严，
申请(专利权)人：江苏理工学院，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。