CN107792844A - 一种三维泡沫碳的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三维泡沫碳的制备方法，所述三维泡沫碳为三维网状结构的碳材料，该方法为：将镍网或铜网作为模板浸于三羟甲基氨基甲烷溶液中，加入盐酸多巴胺，热处理后洗掉模板，得到三维泡沫碳。该方法得到的三维泡沫碳具有高比表面积、质量轻、密度小、强度高等优点，能够提供大量的活性反应位置，在化工、航空航天、电子、能源等诸多技术领域极具应用潜力；同时该方法制备工艺简单，结构可控，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及材料制备领域，具体涉及一种模板法制备三维泡沫碳的方法。
背景技术
泡沫碳是一种由孔泡和相互连接的孔泡壁组成的具有三维网状结构的轻质多孔碳材料。三维泡沫碳具有高比表面积、质量轻、密度小、强度高等优点，能够提供大量的活性反应位置，在化工、航空航天、电子、能源等诸多技术领域极具应用潜力，具有广阔的应用前景。
最早的泡沫碳是Walter Ford在20世纪60年代初热解热固性酚醛泡沫而制得的。早期泡沫碳的制备研究主要是以有机聚合物为原料，受原料性质的限制，制得的泡沫碳虽然有一定强度，但脆性较大。为克服这一缺陷，优化材料的力学性能，拓宽其应用领域，在随后的研究工作中，人们通过不同的手段来调变泡沫碳材料的结构，包括在制备原料中添加各种增强剂、优化工艺参数以及尝试使用不同原料等，以达到改善材料性能的目的。
目前泡沫碳的合成主要技术路线为通过发泡、氧化固定、碳化、石墨化等几个工序，常见的原料有有机聚合物、中间相沥青、煤和煤系物等。如何更有效地调控三维泡沫碳的结构，提高其均匀程度及性能，以满足不同的应用场合的特殊需求，是研究的重点和难点之一。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种模板法制备三维泡沫碳的方法，利用镍网或铜网作为模板，利用盐酸多巴胺的自聚合制备三维泡沫碳。该材料具有高比表面积、质量轻、密度小等优点，同时可实现泡沫碳的均匀度和结构的精确调控。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种三维泡沫碳的制备方法，所述三维泡沫碳为三维网状结构的碳材料，所述方法包括以下步骤：
(1)将金属网作为模板浸于三羟甲基氨基甲烷溶液中，加入盐酸多巴胺，充分溶解后静置；
(2)将步骤(1)得到的金属网在保护性气氛下进行热处理；
(3)将步骤(2)得到的碳/金属网置于酸溶液中，使金属网完全溶解；
(4)将步骤(3)得到的材料进行洗涤烘干，得到三维泡沫碳材料。
根据本发明，步骤(1)所述金属网为镍网或铜网的任意一种或至少两种的组合。
根据本发明，步骤(1)所述三羟甲基氨基甲烷溶液的浓度为0.001-20mol/L，例如可以是0.001mol/L、0.005mol/L、0.01mol/L、0.05mol/L、0.1mol/L、0.5mol/L、1mol/L、5mol/L、10mol/L、15mol/L或20mol/L，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
本发明中步骤(1)所述三羟甲基氨基甲烷溶液的浓度优选为0.005-0.2mol/L。
根据本发明，步骤(1)所述盐酸多巴胺的加入量为0.001-1g/L，例如可以是0.001g/L、0.005g/L、0.01g/L、0.05g/L、0.1g/L、0.5g/L或1g/L，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
本发明中步骤(1)所述盐酸多巴胺的加入量优选为0.005-0.2g/L。
根据本发明，步骤(1)所述混合溶液中三羟甲基氨基甲烷溶液与盐酸多巴胺的摩尔比为(5-1000):1，例如可以是5:1、10:1、50:1、100:1、500:1或1000:1，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
本发明中步骤(1)所述混合溶液中三羟甲基氨基甲烷溶液与盐酸多巴胺的摩尔比优选为(10-100):1。
根据本发明，步骤(1)所述静置时间为0.01-1000h，例如可以是0.01h、0.05h、0.1h、0.5h、1h、5h、10h、50h、100h、500h或1000h，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
本发明中步骤(1)所述静置时间优选为0.1-50h
根据本发明，步骤(2)所述热处理温度为300-1000℃，例如可以是300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃或1000℃，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
本发明中步骤(2)所述热处理温度优选为400-800℃。
根据本发明，步骤(2)所述热处理的保温时间为0.5-10h，例如可以是0.5h、1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h或10h，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
本发明中步骤(2)所述热处理的保温时间优选为1-4h。
根据本发明，步骤(2)所述热处理为保护性气氛氮气、氩气、氦气或氢气中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是氮气、氩气、氦气或氢气中的任意一种；典型但非限定性的组合为：氮气和氩气；氮气和氢气；氩气和氢气；氮气和氦气；氮气、氩气和氢气；氮气、氩气和氦气；氮气、氩气、氦气和氢气等，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
根据本发明，步骤(3)所述酸溶液为磷酸、硝酸、盐酸、硫酸或高氯酸中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是磷酸、硝酸、盐酸、硫酸或高氯酸中的任意一种；典型但非限定性的组合为：磷酸和硝酸；磷酸和盐酸；磷酸和硫酸；硝酸和高氯酸；盐酸和硫酸；磷酸、盐酸和高氯酸；硝酸、盐酸和硫酸；磷酸、硝酸、盐酸和高氯酸等，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
作为优选的技术方案，本发明所述一种三维泡沫碳的制备方法包括以下步骤：
(1)将金属网作为模板浸于三羟甲基氨基甲烷溶液中，加入盐酸多巴胺，充分溶解后静置0.1-50h，所述三羟甲基氨基甲烷溶液的浓度为0.005-0.2mol/L，所述盐酸多巴胺的加入量为0.005-0.2g/L，所述混合溶液中三羟甲基氨基甲烷溶液与盐酸多巴胺的摩尔比为(10-100):1；
(2)将步骤(1)得到的镍网或铜网在保护性气氛下，400-800℃热处理1-4h；
(3)将步骤(2)得到的碳/镍网或铜网置于酸溶液中，使金属网完全溶解；
(4)将步骤(3)得到的材料进行洗涤烘干，得到三维泡沫碳材料。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明使用金属网作为模板制备三维泡沫碳，使所得泡沫碳的孔径更为均匀，同时具有高比表面积、质量轻、密度小等优点；
(2)本发明可通过控制反应的参数，对材料的结构进行精准调控。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
(1)将镍网浸于3mol/L三羟甲基氨基甲烷溶液中，加入4g/L盐酸多巴胺，充分溶解后静置10h；
(2)将步骤(1)得到的镍网在氮气气氛下，600℃热处理2h；
(3)将步骤(2)得到的碳/镍网置于盐酸溶液中，使镍网完全溶解；
(4)将步骤(3)得到的材料进行洗涤烘干，得到三维泡沫碳材料。
实施例2
(1)将铜网浸于0.001mol/L三羟甲基氨基甲烷溶液中，加入0.5g/L盐酸多巴胺，充分溶解后静置0.01h；
(2)将步骤(1)得到的铜网在氩气气氛下，1000℃热处理4h；
(3)将步骤(2)得到的碳/铜网置于硫酸溶液中，使铜网完全溶解；
(4)将步骤(3)得到的材料进行洗涤烘干，得到三维泡沫碳材料。
实施例3
(1)将镍网浸于20mol/L三羟甲基氨基甲烷溶液中，加入1g/L盐酸多巴胺，充分溶解后静置1000h；
(2)将步骤(1)得到的镍网在氢气/氩气混合气氛下，300℃热处理0.5h；
(3)将步骤(2)得到的碳/镍网置于盐酸/硫酸混合溶液中，使镍网完全溶解；
(4)将步骤(3)得到的材料进行洗涤烘干，得到三维泡沫碳材料。
实施例4
(1)将铜网浸于0.5mol/L三羟甲基氨基甲烷溶液中，加入0.002g/L盐酸多巴胺，充分溶解后静置100h；
(2)将步骤(1)得到的铜网在氦气气氛下，500℃热处理5h；
(3)将步骤(2)得到的碳/铜网置于磷酸溶液中，使铜网完全溶解；
(4)将步骤(3)得到的材料进行洗涤烘干，得到三维泡沫碳材料。
实施例5
(1)将铜网浸于0.005mol/L三羟甲基氨基甲烷溶液中，加入0.02g/L盐酸多巴胺，充分溶解后静置2h；
(2)将步骤(1)得到的铜网在氢气气氛下，600℃热处理4h；
(3)将步骤(2)得到的碳/铜网置于高氯酸/盐酸混合溶液中，使铜网完全溶解；
(4)将步骤(3)得到的材料进行洗涤烘干，得到三维泡沫碳材料。
实施例6
(1)将镍网浸于4mol/L三羟甲基氨基甲烷溶液中，加入0.005g/L盐酸多巴胺，充分溶解后静置20h；
(2)将步骤(1)得到的镍网在氦气/氮气混合气氛下，800℃热处理2h；
(3)将步骤(2)得到的碳/镍网置于盐酸溶液中，使镍网完全溶解；
(4)将步骤(3)得到的材料进行洗涤烘干，得到三维泡沫碳材料。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (9)
1.一种三维泡沫碳的制备方法，所述三维泡沫碳为三维网状结构的碳材料，所述方法包括以下步骤：
(1)将金属网作为模板浸于三羟甲基氨基甲烷溶液中，加入盐酸多巴胺，充分溶解后静置；
(2)将步骤(1)得到的金属网在保护性气氛下进行热处理；
(3)将步骤(2)得到的碳/金属网置于酸溶液中，使金属网完全溶解；
(4)将步骤(3)得到的材料进行洗涤烘干，得到三维泡沫碳材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述金属网为镍网或铜网的任意一种或至少两种的组合。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述三羟甲基氨基甲烷溶液的浓度为0.001-20mol/L。
优选地，步骤(1)所述三羟甲基氨基甲烷溶液的浓度为0.005-0.2mol/L。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述盐酸多巴胺的加入量为0.001-1g/L。
优选地，步骤(1)所述盐酸多巴胺的加入量为0.005-0.2g/L。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述混合溶液中三羟甲基氨基甲烷溶液与盐酸多巴胺的摩尔比为(5-1000):1；
优选地，步骤(1)所述混合溶液中三羟甲基氨基甲烷溶液与盐酸多巴胺的摩尔比为(10-100):1。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述静置时间为0.01-1000h；
优选地，步骤(1)所述静置时间为0.1-50h。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述热处理温度为300-1000℃，进一步优选为400-800℃；
优选地，步骤(2)所述热处理的保温时间为0.5-10h，进一步优选为1-4h；
优选地，步骤(2)所述热处理为保护性气氛氮气、氩气、氦气或氢气中的任意一种或至少两种的组合。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述酸溶液为磷酸、硝酸、盐酸、硫酸或高氯酸中的任意一种或至少两种的组合。
9.如权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将金属网作为模板浸于三羟甲基氨基甲烷溶液中，加入盐酸多巴胺，充分溶解后静置0.01-1000h，所述三羟甲基氨基甲烷溶液的浓度为0.001-20mol/L，所述盐酸多巴胺的加入量为0.001-1g/L，所述混合溶液中三羟甲基氨基甲烷溶液与盐酸多巴胺的摩尔比为(5-1000):1；
(2)将步骤(1)得到的镍网或铜网在保护性气氛下，300-1000℃热处理0.5-10h；
(3)将步骤(2)得到的碳/镍网或铜网置于酸溶液中，使金属网完全溶解；
(4)将步骤(3)得到的材料进行洗涤烘干，得到三维泡沫碳材料。
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