CN104627976A - 一种高比表面积介孔碳气凝胶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高比表面积介孔碳气凝胶的制备方法，其技术特点包括以下步骤：有机气凝胶制备：制备间苯二酚－甲醛有机湿凝胶，溶剂替换，常压干燥；高温碳化：将步骤1制备的干凝胶放入高温碳化炉中，氮气保护；CO2活化：将步骤2所得样品放入高温碳化炉，进行CO2活化；KOH活化：将步骤3所得样品磨成粉末与KOH搅拌成糊状，放入真空干燥炉干燥；高温活化：将步骤4所得样品放入高温碳化炉，在惰性气体保护下活化；洗涤干燥：将步骤5所得样品用去离子水反复洗涤样品，直至样品成中性，然后放入真空干燥炉干燥。本发明设计合理，具有比较面积高、介孔多、空隙率高、密度低、电阻低等优点，可应用于电池电容电极领域。

Description

一种高比表面积介孔碳气凝胶的制备方法
技术领域
本发明属于碳气凝胶技术领域，尤其是一种高比表面积介孔碳气凝胶的制备方法。
背景技术
人类社会文明的发展离不开能源，能源与环境是当今世界全人类共同关注的话题。伴随人口的急剧增长和社会经济的快速发展，资源和能源日渐短缺，生态环境日益恶化，人类将更加依赖洁净和可再生的新能源。锂离子电池、超级电容器、超级电池等都是目前极受重视的新兴能源，能量密度和功率密度是标识这些电源的重要指标，而电极材料对能量密度和功率密度起决定性作用，所以研制一种更优的电极材料对新型电源性能提升非常重要。
碳气凝胶一直被作为碳材料的研究重点，在超级电容、储氢材料、保温材料等领域都有重大突破，但是在锂离子电池、电容等方面，却因为各种瓶颈，未能得到较好的发展与应用。其主要原因就是始终不能制备出最适合电池电容的碳气凝胶。目前在改善碳气凝胶孔结构方面，主要采用物理活化法和化学活化法：物理活化法如CO2活化，其主要作用是增加微孔，对介孔的产生作用不大；化学活化法如KOH活化，由于碱金属的烧灼，虽然增加了碳气凝胶的介孔，但减少了碳气凝胶的比表面积。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种比表面积大、介孔多、电导率大的高比表面积介孔碳气凝胶的制备方法。
本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种高比表面积介孔碳气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、有机气凝胶制备：制备间苯二酚－甲醛有机湿凝胶，溶剂替换，常压干燥；
步骤2、高温碳化：将步骤1制备的干凝胶放入高温碳化炉中，氮气保护；
步骤3、CO2活化：将步骤2所得样品放入高温碳化炉，进行CO2活化；
步骤4、KOH活化：将步骤3所得样品磨成粉末与KOH搅拌成糊状，放入真空干燥炉干燥；
步骤5、高温活化：将步骤4所得样品放入高温碳化炉，在惰性气体保护下活化。
步骤6、洗涤干燥：将步骤5所得样品用去离子水反复洗涤样品，直至样品成中性，然后放入真空干燥炉干燥即可制得高比表面积介孔碳气凝胶。
而且，所述步骤1的具体处理过程为：按间苯二酚与甲醛摩尔比为1：2，碳酸钠做催化剂，烘箱中分别30℃、50℃、90℃处理1天、1天、3天，乙醇做溶剂替换3次，然后常压干燥，待乙醇挥发完，得到有机干气凝胶。
而且，所述步骤2的具体处理过程为：先通30～60分钟惰性气体，然后以2℃/min～10℃/min速率升温至850℃～1600℃，恒温2～6小时，然后缓慢降至室温，本步骤全程通入氮气保护。
而且，所述步骤3的具体处理过程为：先通30～60分钟惰性气体，然后以2℃/min～5℃/min速率升温至800℃～1400℃，恒温2～6小时，然后缓慢降至室温，本步骤全程通入CO2气体活化。
而且，所述步骤4的具体处理过程为：将步骤3所得样品磨成粉末，与KOH按如下比例：CRF:KOH:H2O=1:2～6:2～12搅拌成糊状，放入真空干燥炉干燥8～20小时。
而且，所述步骤5的具体处理过程为：先通30～60分钟惰性气体，然后以2℃/min～10℃/min速率升温至800℃～1300℃，恒温2～6小时，然后缓慢降至室温；本步骤全程通入惰性气体进行保护。
而且，所述步骤6放入真空干燥炉干燥时间为8～20小时。
本发明的优点和积极效果是：
本发明对碳气凝胶先后进行了CO2活化和KOH活化，即结合了物理活化和化学活化，得到具有更优孔结构的碳气凝胶。本发明所制备出的高比表面积介孔碳气凝胶的孔结构在拥有大量介孔的同时比表面积也较大，具有比较面积高、介孔多、空隙率高、密度低、电阻低等优点，可应用于电池电容电极领域，其活化过程简单、方便、易操作，生产周期短，设备要求低，环境友好。
附图说明
图1是本发明的高比表面积介孔碳气凝胶的扫描电镜（SEM）图；
图2是本发明的高比表面积介孔碳气凝胶的氮气吸脱附曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
一种高比表面积介孔碳气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、有机气凝胶制备：制备间苯二酚－甲醛有机湿凝胶，溶剂替换，常压干燥。
步骤2、高温碳化：将步骤1制备的干凝胶放入高温碳化炉中，进行氮气保护。
在本步骤中，全程通入氮气保护。先通30～60分钟惰性气体，然后以2℃/min～10℃/min速率升温至850℃～1600℃，恒温2～6小时，然后缓慢降至室温。
步骤3、CO2活化：将步骤2所得样品放入高温碳化炉，进行CO2活化。
在本步骤中，全程通入CO2气体活化；先通30～60分钟惰性气体，然后以2℃/min～5℃/min速率升温至800℃～1400℃，恒温2～6小时，然后缓慢降至室温。
步骤4、KOH活化：将步骤3所得样品磨成粉末，与KOH按如下比例：CRF:KOH:H2O=1:2～6:2～12搅拌成糊状，放入真空干燥炉干燥8～20小时。
步骤5、高温活化：将步骤4所得样品放入高温碳化炉，在惰性气体保护下活化。
在本步骤中，全程通入惰性气体进行保护，先通30～60分钟惰性气体，然后以2℃/min～10℃/min速率升温至800℃～1300℃，恒温2～6小时，然后缓慢降至室温。
步骤6、洗涤干燥：将步骤5所得样品用去离子水反复洗涤样品，直至样品成中性，然后放入真空干燥炉干燥8～20小时后，即可制得高比表面积介孔碳气凝胶。
实施例1
一种高比表面积介孔碳气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
⑴有机气凝胶制备:制备间苯二酚－甲醛有机湿凝胶，溶剂替换，常压干燥。间苯二酚与甲醛摩尔比为1：2，碳酸钠做催化剂，烘箱中分别30℃、50℃、90℃处理1天、1天、3天。乙醇做溶剂替换3次，然后常压干燥，待乙醇挥发完，得到有机干气凝胶。
⑵高温碳化：将步骤(1)制备的样品放入高温碳化炉中，先通30分钟氮气，然后以3℃/min速率升温至1050℃，恒温3小时，然后缓慢降至室温。全程通入氮气保护；
⑶CO2活化：将步骤(2)所得样品放入高温碳化炉，先通60分钟惰性气体，然后以3℃/min速率升温至950℃，恒温3小时，然后缓慢降至室温。全程通入CO2活化；
⑷KOH活化：将步骤(3)所得样品磨成粉末，与KOH按比例CRF:KOH:H2O=1:3:6搅拌成糊状，放入真空干燥炉干燥20小时。
⑸高温活化：将步骤(4)所得样品放入高温碳化炉，先通60分钟惰性气体，然后以3℃/min速率升温至950℃，恒温3小时，然后缓慢降至室温。全程通入氮气进行保护；
⑹洗涤干燥：将步骤(5)所得样品用去离子水反复洗涤样品，直至样品成中性，然后放入真空干燥炉干燥12小时，即可制得高比表面积介孔碳气凝胶。
通过上述方法制得的碳气凝胶，如图1所示。通过图2所示的氮气吸脱附曲线，可以看出其比表面积高达2975m2/g，其中39％的比表面积是由孔径大于2纳米的介孔和大孔贡献。
实施例2
一种高比表面积介孔碳气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
⑴有机气凝胶制备:制备间苯二酚－甲醛有机湿凝胶，溶剂替换，常压干燥。间苯二酚与甲醛摩尔比为1：2，碳酸钠做催化剂，烘箱中分别30℃、50℃、90℃处理1天、1天、3天。乙醇做溶剂替换3次，然后常压干燥，待乙醇挥发完，得到有机干气凝胶。
⑵高温碳化：将步骤(1)制备的样品放入高温碳化炉中，先通30分钟氮气，然后以5℃/min速率升温至1200℃，恒温4小时，然后缓慢降至室温。全程通入氮气保护；
⑶CO2活化：将步骤(2)所得样品放入高温碳化炉，先通60分钟惰性气体，然后以3℃/min速率升温至900℃，恒温4小时，然后缓慢降至室温。全程通入CO2活化；
⑷KOH活化：将步骤(3)所得样品磨成粉末，与KOH按比例CRF:KOH:H2O=1:4:8搅拌成糊状，放入真空干燥炉干燥12小时。
⑸高温活化：将步骤(4)所得样品放入高温碳化炉，先通60分钟惰性气体，然后以3℃/min速率升温至900℃，恒温4小时，然后缓慢降至室温。全程通入氮气进行保护；
⑹洗涤干燥：将步骤(5)所得样品用去离子水反复洗涤样品，直至样品成中性，然后放入真空干燥炉干燥12小时，即可制得高比表面积介孔碳气凝胶
通过图2所示的氮气吸脱附曲线，其比表面积高达2765m2/g，其中36％的比表面积是由孔径大于2纳米的介孔和大孔贡献。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种高比表面积介孔碳气凝胶，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、有机气凝胶制备：制备间苯二酚－甲醛有机湿凝胶，溶剂替换，常压干燥；
步骤2、高温碳化：将步骤1制备的干凝胶放入高温碳化炉中，氮气保护；
步骤3、CO2活化：将步骤2所得样品放入高温碳化炉，进行CO2活化；
步骤4、KOH活化：将步骤3所得样品磨成粉末与KOH搅拌成糊状，放入真空干燥炉干燥；
步骤5、高温活化：将步骤4所得样品放入高温碳化炉，在惰性气体保护下活化。
步骤6、洗涤干燥：将步骤5所得样品用去离子水反复洗涤样品，直至样品成中性，然后放入真空干燥炉干燥即可制得高比表面积介孔碳气凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种高比表面积介孔碳气凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤1的具体处理过程为：按间苯二酚与甲醛摩尔比为1：2，碳酸钠做催化剂，烘箱中分别30℃、50℃、90℃处理1天、1天、3天，乙醇做溶剂替换3次，然后常压干燥，待乙醇挥发完，得到有机干气凝胶。
3.根据权利要求1所述的一种高比表面积介孔碳气凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤2的具体处理过程为：先通30～60分钟惰性气体，然后以2℃/min～10℃/min速率升温至850℃～1600℃，恒温2～6小时，然后缓慢降至室温，本步骤全程通入氮气保护。
4.根据权利要求1所述的一种高比表面积介孔碳气凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤3的具体处理过程为：先通30～60分钟惰性气体，然后以2℃/min～5℃/min速率升温至800℃～1400℃，恒温2～6小时，然后缓慢降至室温，本步骤全程通入CO2气体活化。
5.根据权利要求1所述的一种高比表面积介孔碳气凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤4的具体处理过程为：将步骤3所得样品磨成粉末，与KOH按如下比例：CRF:KOH:H2O=1:2～6:2～12搅拌成糊状，放入真空干燥炉干燥8～20小时。
6.根据权利要求1所述的一种高比表面积介孔碳气凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤5的具体处理过程为：先通30～60分钟惰性气体，然后以2℃/min～10℃/min速率升温至800℃～1300℃，恒温2～6小时，然后缓慢降至室温；本步骤全程通入惰性气体进行保护。
7.根据权利要求1所述的一种高比表面积介孔碳气凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤6放入真空干燥炉干燥时间为8～20小时。
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