專利名稱：一種納米多孔碳氣凝膠及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種碳氣凝膠，尤其是涉及一種納米多孔碳氣凝膠及其制備方法。
背景技術：
碳氣凝膠是由有機氣凝膠經固相碳化反應而生成的一種具有交聯狀結構的新型納米多孔碳素材料，是唯一具有導電性和化學穩定性的氣凝膠，其密度變化范圍廣，結構可調，孔隙率達80% -99. 8%，孔徑一般< 50nm，比表面積高達400-1000m2/g。這種特殊結構的材料具有廣泛的應用前景。1987年，美國Pekala首次以間苯二酚-甲醛為原料，在堿性催化條件下經溶膠-凝膠過程，酸洗老化，超臨界干燥及碳化得有機氣凝膠及碳氣凝膠，這標志著有機氣凝膠研究的開端。隨后的十幾年間，美國、日本、德國、法國等各國研究者都對此研究課題表現出極大的興趣，關于氣凝膠的研究方興未艾，在國內外已有多項關于碳氣凝膠的制備、應用成果被發表。目前較為成熟的碳氣凝膠制備方法是Pekala等人所發明的美國專利號為 US19890406009，US19880199404，但這一制備方法需要經過冗長而復雜的制備周期，采取的二氧化碳超臨界干燥制備技術大大增加了生產成本，且不環保，制約了碳氣凝膠的產業化生產和全面廣泛的應用。由王朝陽等人發明的專利《碳氣凝膠粉末及其制備方法》中國專利號為CN200610021241. X，同樣采用了乙醇超臨界干燥，并采用低溫超聲技術，沒有從根本上解決生產效率低下，成本過高的制約因素。而朱珍平等人發明的專利《一種制備碳氣凝膠的方法》，中國專利號為CN01120419. 2，由于在制備工藝中引入加熱爆炸過程而使制備過程中存在著不安全的因素。

發明內容
本發明要解決的問題是提供一種制備周期短、節約成本、安全環保、比表面積高， 孔隙率高，密度低，電阻率低，可廣泛應用于超級電容器電極、催化劑及催化劑載體、氣體吸附等領域的納米多孔碳氣凝膠及其制備方法。為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是一種納米多孔碳氣凝膠的制備方法，包括如下步驟1)有機濕凝膠制備將反應物間苯二酚與甲醛，以摩爾比為1/2的比例混合，再加入去離子水作溶劑，配成質量百分數為30%的反應液，以摩爾濃度為0. 05mol/L的碳酸鈉溶液為催化劑，攪拌均勻后，密封，置入烘箱中，分別在30°C時處理1天，50°C時處理1天， 90°C時處理3天，最后制得間苯二酚-甲醛濕凝膠；2)溶劑替換將步驟1)制備的間苯二酚-甲醛濕凝膠浸泡在丙酮中進行溶劑替換，期間每隔M小時更換一次丙酮，替換2次-5次，待丙酮自然揮發完全之后，即制得間苯二酚-甲醛有機氣凝膠；3)常壓干燥在常溫常壓下，即溫度在20-30°C，一個標準大氣壓下進行干燥，讓丙酮自然揮發干凈后，即制得干燥的間苯二酚-甲醛有機氣凝膠；
4)高溫碳化在常溫下，即溫度在20-30°C下，將步驟幻制備的干燥的間苯二酚-甲醛有機氣凝膠裝入石英管，放置在高溫爐中，先向爐中通入30-50分鐘氮氣，在炭化的整個過程中以速率為20ml/min-60ml/min的速度不斷地通入惰性保護氣，升溫到 1045-1055°C后恒溫4-6個小時，再緩慢降溫至常溫，即制得黑色的納米多孔碳氣凝膠。所述步驟i)要徹底替換間苯二酚-甲醛濕凝膠中的水和其他雜質。所述步驟4)在通入惰性保護氣之前先通入氮氣的目的是為了排凈石英管中的空氣防止干燥的間苯二酚-甲醛有機氣凝膠氧化。所述惰性保護氣為氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣或氡氣中的任意一種。優選的，為了達到更好的效果，所述步驟4)先向爐中通入30分鐘氮氣。優選的，為了達到更好的效果，所述步驟4)升溫到1050°C后恒溫4個小時。所述納米多孔碳氣凝膠根據上述方法制得，其具備如下參數孔徑分布lnm-2nm，比表面積 850m2/g-900m7g，孔隙率 81 % -89%，密度 ^Omg/ cm3-325mg/cm3，電阻率 0. 045 Ω · mm-0. 06 Ω · mm。本發明具有的優點和積極效果是由于采用上述技術方案，本發明以間苯二酚和甲醛為原料，碳酸鈉為催化劑，采用溶膠-凝膠法制備有機濕凝膠；在適當的溫度控制下老化濕凝膠； 通過溶劑替換，在常溫常壓條件下制備有機氣凝膠；經過合適炭化工藝，制備孔洞結構基本不受破壞的碳氣凝膠，通過本發明所提供的制備納米多孔碳氣凝膠的方法，具有比表面積高，孔隙率高，密度低，電阻率低，可廣泛應用于超級電容器電極、催化劑及催化劑載體、氣體吸附等領域，有很好的市場前景，其制備過程簡單、方便、易操作，生產周期短，設備要求低，環境友好。


圖1是本發明的納米多孔碳氣凝膠的SEM圖，放大倍數10000倍2是本發明所制備的納米多孔碳氣凝膠的BJH方法計算的孔徑分布3是本發明所制備的納米多孔碳氣凝膠的DFT方法計算的孔徑分布圖
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明的納米多孔碳氣凝膠及其制備方法作進一步說明。實施例一1)有機濕凝膠制備將反應物間苯二酚與甲醛，以摩爾比為1/2的比例混合，再加入去離子水作溶劑，配成質量百分數為30%的反應液，以摩爾濃度為0. 05mol/L的碳酸鈉溶液為催化劑，攪拌均勻后，密封，置入烘箱中，分別在30°C時處理1天，50°C時處理1天， 90°C時處理3天，最后制得間苯二酚-甲醛濕凝膠；2)溶劑替換將步驟1)制備的間苯二酚-甲醛濕凝膠浸泡在丙酮中進行溶劑替換，期間每隔M小時更換一次丙酮，替換3次，待丙酮自然揮發完全之后，即制得間苯二酚-甲醛有機氣凝膠；3)常壓干燥在常溫常壓下，即溫度在20-30°C，一個標準大氣壓下進行干燥，讓丙酮自然揮發干凈后，即制得干燥的間苯二酚-甲醛有機氣凝膠；4)高溫碳化在常溫下，即溫度在20-30°C下，將步驟幻制備的干燥的間苯二酚-甲醛有機氣凝膠裝入石英管，放置在高溫爐中，先向爐中通入30分鐘氮氣，在炭化的整個過程中以速率為25ml/min的速度不斷地通入氦氣，升溫到1050°C后恒溫4個小時，再緩慢降溫至常溫，即制得黑色的納米多孔碳氣凝膠。所制備的納米多孔碳氣凝膠，孔徑集中分布在1. 4nm,結構均勻且穩定，比表面積 865. lm2/g，孔隙率 83. 89%，密度 306mg/cm3，電阻率 0. 055 Ω · mm。實施例21)有機濕凝膠制備將反應物間苯二酚與甲醛，以摩爾比為1/2的比例混合，再加入去離子水作溶劑，配成質量百分數為32%的反應液，以摩爾濃度為0. 05mol/L的碳酸鈉溶液為催化劑，攪拌均勻后，密封，置入烘箱中，分別在30°C時處理1天，50°C時處理1天， 90°C時處理3天，最后制得間苯二酚-甲醛濕凝膠；2)溶劑替換將步驟1)制備的間苯二酚-甲醛濕凝膠浸泡在丙酮中進行溶劑替換，期間每隔M小時更換一次丙酮，替換4次，待丙酮自然揮發完全之后，即制得間苯二酚-甲醛有機氣凝膠；3)常壓干燥在常溫常壓下，即溫度在20-30°C，一個標準大氣壓下進行干燥，讓丙酮自然揮發干凈后，即制得干燥的間苯二酚-甲醛有機氣凝膠；4)高溫碳化在常溫下，即溫度在20-30°C下，將步驟幻制備的干燥的間苯二酚-甲醛有機氣凝膠裝入石英管，放置在高溫爐中，先向爐中通入40分鐘氮氣，在炭化的整個過程中以速率為35ml/min的速度不斷地通入氖氣，升溫到1052°C后恒溫5個小時，再緩慢降溫至常溫，即制得黑色的納米多孔碳氣凝膠。所制備的納米多孔碳氣凝膠，孔徑集中分布在1. 2nm,結構均勻且穩定，比表面積 860. lm2/g，孔隙率 82. 89%，密度 320mg/cm3，電阻率 0. 051 Ω · mm。實施例31)有機濕凝膠制備將反應物間苯二酚與甲醛，以摩爾比為1/2的比例混合，再加入去離子水作溶劑，配成質量百分數為33%的反應液，以摩爾濃度為0. 05mol/L的碳酸鈉溶液為催化劑，攪拌均勻后，密封，置入烘箱中，分別在30°C時處理1天，50°C時處理1天， 90°C時處理3天，最后制得間苯二酚-甲醛濕凝膠；2)溶劑替換將步驟1)制備的間苯二酚-甲醛濕凝膠浸泡在丙酮中進行溶劑替換，期間每隔M小時更換一次丙酮，替換5次，待丙酮自然揮發完全之后，即制得間苯二酚-甲醛有機氣凝膠；3)常壓干燥在常溫常壓下，即溫度在20-30°C，一個標準大氣壓下進行干燥，讓丙酮自然揮發干凈后，即制得干燥的間苯二酚-甲醛有機氣凝膠；4)高溫碳化在常溫下，即溫度在20-30°C下，將步驟幻制備的干燥的間苯二酚-甲醛有機氣凝膠裝入石英管，放置在高溫爐中，先向爐中通入40分鐘氮氣，在炭化的整個過程中以速率為35ml/min的速度不斷地通入氬氣，升溫到1055°C后恒溫6個小時，再緩慢降溫至常溫，即制得黑色的納米多孔碳氣凝膠。所制備的納米多孔碳氣凝膠，孔徑集中分布在1. 2nm,結構均勻且穩定，比表面積 858. lm2/g，孔隙率 81. 69%，密度 325mg/cm3，電阻率 0. 045 Ω · mm。以上對本發明的三個實施例進行了詳細說明，但所述內容僅為本發明的較佳實施例，不能被認為用于限定本發明的實施范圍。凡依本發明申請范圍所作的均等變化與改進等，均應仍歸屬于本發明的專利涵蓋范圍之內。
權利要求
1.一種納米多孔碳氣凝膠的制備方法，其特征在于包括如下步驟1)有機濕凝膠制備將反應物間苯二酚與甲醛，以摩爾比為1/2的比例混合，再加入去離子水作溶劑，配成質量百分數為30% -33%的反應液，以摩爾濃度為0. 05mol/L的碳酸鈉溶液為催化劑，攪拌均勻后，密封，置入烘箱中，分別在30°C時處理1天，500C時處理1天， 90°C時處理3天，最后制得間苯二酚-甲醛濕凝膠；2)溶劑替換將步驟1)制備的間苯二酚-甲醛濕凝膠浸泡在丙酮中進行溶劑替換， 期間每隔M小時更換一次丙酮，替換2次-5次，待丙酮自然揮發完全之后，即制得間苯二酚-甲醛有機氣凝膠；3)常壓干燥在常溫常壓下進行干燥，讓丙酮自然揮發干凈后，即制得干燥的間苯二酚-甲醛有機氣凝膠；4)高溫碳化在常溫下，將步驟幻制備的干燥的間苯二酚-甲醛有機氣凝膠裝入石英管，放置在高溫爐中，先向爐中通入30-50分鐘氮氣，在炭化的整個過程中以速率為20ml/ min-60ml/min的速度不斷地通入惰性保護氣，升溫到1045-1055°C后恒溫4_6個小時，再緩慢降溫至常溫，即制得黑色的納米多孔碳氣凝膠。
2.根據權利要求1所述的納米多孔碳氣凝膠的制備方法，其特征在于所述惰性保護氣為氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣或氡氣中的任意一種。
3.根據權利要求1所述的納米多孔碳氣凝膠的制備方法，其特征在于所述步驟4)先向爐中通入30分鐘氮氣。
4.根據權利要求1所述的納米多孔碳氣凝膠的制備方法，其特征在于所述步驟4)升溫到1050°C后恒溫4個小時。
5.一種納米多孔碳氣凝膠，其特征在于根據權利要求1-4任一項所述的方法制備得到。
全文摘要
本發明提供一種納米多孔碳氣凝膠及其制備方法，包括如下步驟有機濕凝膠制備；溶劑替換；常壓干燥；高溫碳化。所述上述方法制得的納米多孔碳氣凝膠具備的參數為孔徑分布1nm-2nm，比表面積850m2/g-900m2/g，孔隙率81％-89％，密度280mg/cm3-325mg/cm3，電阻率0.045Ω·mm-0.06Ω·mm。本發明的有益效果是通過本發明所提供的制備納米多孔碳氣凝膠的方法，具有比表面積高，孔隙率高，密度低，電阻率低，可廣泛應用于超級電容器電極、催化劑及催化劑載體、氣體吸附等領域，有很好的市場前景，其制備過程簡單、方便、易操作，生產周期短，設備要求低，環境友好。
文檔編號C01B31/02GK102515143SQ201110437760
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月23日 優先權日2011年12月23日
發明者關大勇, 沈軍, 王景林 申請人:天津鑫日新能源科技有限公司