CN102874792A - 一种新型碳海绵的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型碳海绵的制备方法，该碳海绵是采用直接高温碳化聚合物泡沫材料制备。碳海绵的孔隙度可通过控制聚合物泡沫材料的孔隙度来调控。所制备的碳海绵具有以下特点：稳定的三维多孔网络结构、较好的弹性、可控的孔隙度和密度以及较好的导电性。同时，该碳海绵还具有超输水，但是超亲油性。因此，该碳海绵将可广泛用于作为柔性电极，催化剂载体，有机物吸附、油污去除、高温过滤和细胞生长等。同时，该方法具有低成本、易于工业化等优点。
Description
技术领域
本发明专利涉及一种新型的碳海绵的制备方法。
背景技术
近年来，随着微型化、便携式电子产品的迅猛发展，基于超级电容器和电池的超薄、柔性储能器件受到越来越广泛的关注。组装该类高性能的柔性储能器件需要三维柔性电极材料。三维柔性碳电极是最佳的选择，主要因为其惰性的化学特征，而且可以用于几乎所有的电解质体系。目前文献报道的三维柔性碳电极主要是基于碳纳米材料，如碳纳米管和石墨烯等，可采用以下两种方法制备:(1)直接气相沉积组装，如阵列碳纳米管（Cao, A.; Dickrell, P. L.; Sawyer, W. G.; Ghasemi-Nejhad, M. N.; Ajayan, P. M.,. Science 2005, 310, 1307. Xiong, W.; Du, F.; Liu, Y.; Perez, A.; Supp, M.; Ramakrishnan, T. S.; Dai, L. M.; Jiang, L.,. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 15839.）， 碳纳米管海绵（Gui, X. C.; Wei, J. Q.; Wang, K. L.; Cao, A. Y.; Zhu, H. W.; Jia, Y.; Shu, Q. K.; Wu, D. H., Carbon Nanotube Sponges. Adv. Mater.2010, 22, 617），三维柔性石墨烯网络（Chen, Z.; Ren, W.; Gao, L.; Liu, B.; Pei, S.; Cheng, H.-M., Nat Mater 2011, 10, 424），飞行石墨（Mecklenburg, M.; Schuchardt, A.; Mishra, Y. K.; Kaps, S.; Adelung, R.; Lotnyk, A.; Kienle, L.; Schulte, K., Adv. Mater. 2012, 24, 3486），以及它们通过浸入与聚合物形成的复合三维电极等（Lee, S. H.; Kim, H. W.; Hwang, J. O.; Lee, W. J.; Kwon, J.; Bielawski, C. W.; Ruoff, R. S.; Kim, S. O., Angew. Chem.Ed. 2010, 49, 10084）；(2)在聚合物基体上吸附碳纳米管，包括纸、海绵和织物等（Xie, X.; Ye, M.; Hu, L.; Liu, N.; McDonough, J. R.; Chen, W.; Alshareef, H. N.; Criddle, C. S.; Cui, Y., Energy Environ. Sci. 2012,5, 5265. Xie, X.; Yu, G.; Liu, N.; Bao, Z.; Criddle, C. S.; Cui, Y., Energy Environ. Sci. 2012, 5, 6862. Xie, X.; Hu, L.; Pasta, M.; Wells, G. F.; Kong, D.; Criddle, C. S.; Cui, Y., Nano Letters 2011, 11, 291-296. Jost, K.; Perez, C. R.; McDonough, J. K.; Presser, V.; Heon, M.; Dion, G.; Gogotsi, Y., Energy Environ. Sci. 2011, 4, 5060.）。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳海绵及其制备的方法，该碳海绵是采用直接高温碳化三聚氰胺-甲醛树脂泡沫材料的方法制备。该方法将具有制备简单、成本低等优点。
本发明是这样实现的，一种碳海绵的制备方法，其特征在于方法为：以三聚氰胺-甲醛树脂泡沫材料为原料，在惰性气氛保护下或真空条件下，直接高温碳化而成；碳海绵的孔隙度控制是采用机械压缩三聚氰胺-甲醛树脂泡沫材料来实现。
所述的原料三聚氰胺-甲醛树脂泡沫材料具有以下结构特征：开孔的、密度范围为4-12 kg/m3，孔隙度大于95%。
所述的控制碳海绵的孔隙度的方法是：机械压缩三聚氰胺-甲醛树脂泡沫材料，即在高温碳化过程中，给树脂泡沫材料施加一定机械力。泡沫被压缩的体积百分比范围为0-90%。
所述的直接高温碳化，其过程是：将三聚氰胺-甲醛树脂泡沫置于炉体中，在惰性气体氮气或氩气的保护下，以2-20 °C/min的速度加热到800-1800 °C。
本发明的技术效果是：稳定的三维多孔网络结构、较好的弹性、可控的孔隙度和密度以及较好的导电性。同时，该碳海绵还具有超输水，但是超亲油性，其可以吸附相当于自身重量的130倍的润滑油。因此，该碳海绵将可广泛用于作为柔性电极，催化剂载体，有机物吸附、油污去除、高温过滤和细胞生长等。
附图说明
图1为碳海绵及其内部扫描电子显微镜图片。
图2为碳海绵压缩80%的应力-应变曲线以及回弹应力-应变曲线图。
图3为不同温度制备的碳海绵的Raman 光谱图。
图4为分别放入油(左图)和水(右图)中的碳海绵。
具体实施方式
实施方式：
1、孔隙度为99%的碳海绵的制备
将一定尺寸的的三聚氰胺-甲醛树脂泡沫（密度为8 mg/m3，孔隙度为99%），放在平板上，置于高温电炉中，在氮气的保护下加热到800°C，得到孔隙度为99%的碳海绵。
2、孔隙度为98.5%的碳海绵的制备
将一定尺寸的的三聚氰胺-甲醛树脂泡沫（密度为8 mg/m3，孔隙度为99%），放在平板上；在泡沫的上方放置一块平板，并施加一压力，将泡沫压缩至原来体积的80%，并置于高温电炉中，在氮气的保护下加热到800°C，得到孔隙度约为98.5%的碳海绵。
3、孔隙度为98%的碳海绵的制备
将一定尺寸的的三聚氰胺-甲醛树脂泡沫（密度为8 mg/m3，孔隙度为99%），放在平板上；在泡沫的上方放置一块平板，并施加一压力，将泡沫压缩至原来体积的50%；将其置于高温电炉中，在氮气的保护下加热到800°C，得到孔隙度约为98%的碳海绵。
4、孔隙度为99.9 %的碳海绵的制备
将一定尺寸的的三聚氰胺-甲醛树脂泡沫（密度为8 mg/m3，孔隙度为99%），放在平板上，置于高温电炉中，在氮气的保护下加热到1800°C，得到孔隙度约为99.9%的碳海绵。
5. 所制备的碳海绵具有以下特点：
1) 稳定的三维多孔网络结构（其三维网络结构图见图1）；
2) 较好的弹性；（碳海绵的压缩和回弹应力-应变曲线见图2）；
3) 可控的孔隙度和密度；
4) 较好的导电性；
5) 超疏水和超亲油性（碳海绵的亲油和疏水图片见图4）。
图3为不同温度制备的碳海绵的Raman 光谱，因此，该碳海绵将可广泛用于作为柔性电极，催化剂载体，有机物吸附、油污去除、高温过滤和细胞生长等。
Claims (5)
1.一种新型碳海绵的制备方法，其特征在于方法为：以三聚氰胺-甲醛树脂泡沫材料为原料，在惰性气氛或真空条件下直接高温碳化而成；碳海绵的孔隙度控制是通过机械压缩三聚氰胺-甲醛树脂泡沫材料来实现。
2.根据权利要求1所述的一种碳海绵的制备方法，其特征是所述的原料三聚氰胺-甲醛树脂泡沫材料具有以下结构特征：开孔的、密度范围为4-12 kg/m3，孔隙度大于95%。
3.根据权利要求1所述的一种新型碳海绵的制备方法，其特征是所述的碳海绵的孔隙度的控制是采用机械压缩三聚氰胺-甲醛树脂泡沫材料来实现，即在高温碳化过程中，给三聚氰胺-甲醛树脂树脂泡沫材料施加一定机械压缩力；泡沫被压缩的体积百分比范围控制为0-90%。
4.根据权利要求1所述的一种新型碳海绵的制备方法，其特征是所述的直接高温碳化，其过程是：将三聚氰胺-甲醛树脂泡沫置于炉体中，在惰性气体氮气或氩气的保护下或真空条件下，以2-20 °C/min的速度加热到800-1800 °C，并停留30-200分钟。
5.根据权利要求1所述的一种新型碳海绵的制备方法，其特征是所述的碳海绵具有以下特征：
稳定的三维多孔网络结构；
良好的弹性；
可控的孔隙度，孔隙度范围：95-99.9%；
可控的密度，密度范围：3-100 mg/cm3；
可控的导电性，导电率范围：0.1-30 s/cm；
超疏水和超亲油性。
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