CN108622871B - 一种用聚苯胺作为交联剂的炭气凝胶的制备方法 - Google Patents

一种用聚苯胺作为交联剂的炭气凝胶的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种炭气凝胶的制备方法，属于多孔炭材料技术领域。该方法以可溶性糖类为原料，聚苯胺为交联剂，在水热条件下发生凝胶作用，通过干燥得到有机干凝胶，再通过高温炭化得到低密度、高比表面积、导电性良好的炭气凝胶。炭气凝胶可用于能源储存、催化及环境净化等领域。

Description

一种用聚苯胺作为交联剂的炭气凝胶的制备方法
技术领域
本发明涉及一种炭气凝胶的制备方法，属于多孔炭材料技术领域，可用于能源储存、催化及环境净化等领域。
背景技术
气凝胶材料是一种纳米多孔材料，具有多孔网状结构、极低的密度、极高的孔隙率和高的比表面积等特性。自从80年代末Pekala R.W.首次合成出RF(酚醛树脂)有机气凝胶并由其炭化得到炭气凝胶以来，炭气凝胶一直是多孔炭材料研究的热点之一。有机气凝胶可做隔音和隔热材料,炭气凝胶则在催化剂及载体、吸附、超级电容器等方面均有广泛应用。
传统的有机气凝胶和炭气凝胶通常利用酚类和醛类物质作为原材料，经过溶胶-凝胶，老化，得到有机水凝胶，然后通过超临界干燥得到有机气凝胶，最后经过高温炭化得到炭气凝胶。但是此方法制备周期长，干燥设备昂贵，而且原材料所用的酚类和醛类都是剧毒物质，不利于大规模商业化生产。因此，寻找一种简单快速可持续的方法至关重要。
最近，Titirici M.M.等人以生物质及其衍生物为原料，在较低的温度下采用水热炭化过程合成出一系列的多孔炭材料，这为我们开发出绿色环保可持续的炭气凝胶提供了有效的途径。中国专利 CN104743541A和CN104986752A公开了一种利用糖类化合物和高分子化合物为原料通过水热法合成炭气凝胶的制备方法，但是其调控结构的能力还较差，制得的炭气凝胶比表面积较小,通常只有500m2/g左右。
发明内容
针对现有研究的不足，本发明提供一种用聚苯胺作为交联剂的炭气凝胶的制备方法。
本发明的目的通过以下步骤实现：
a.将水溶性糖类化合物溶于0～70℃的去离子水中，调节pH值小于2，溶解后，依次加入过硫酸铵和苯胺，待溶液颜色开始变深后移入反应釜中，140～220℃加热5～20h后取出，得到水凝胶；
b.用去离子水和乙醇反复清洗水凝胶，然后经过冷冻干燥得到有机气凝胶；
c.将有机气凝胶放入管式炉中，在惰性气体中炭化得到炭气凝胶。
水溶性糖类化合物为葡萄糖、果糖、半乳糖、蔗糖、麦芽糖或乳糖。
调节pH值所用的酸为盐酸、硫酸或硝酸。
水溶性糖类化合物的浓度为0.1～0.4g/mL，苯胺浓度为0.0025～0.1g/mL，过硫酸铵与苯胺的摩尔浓度为1:1。
炭化是在惰性气体保护下，以1～10℃/min的升温速率升至600～1000℃，然后保持1～5h，最后自然冷却至室温。
本发明以水溶性糖类为原料，聚苯胺为交联剂，通过水热法合成炭气凝胶，原料廉价易得，制备过程简单环保，制得的炭气凝胶密度小，比表面积大，可用于能源储存、催化及环境净化等领域。
附图说明
图1为实施例1制备的有机水凝胶、有机气凝胶和炭气凝胶图片；
图2为实施例1制备的炭气凝胶的扫描电镜图
图3为实施例2制备的有机水凝胶、有机气凝胶和炭气凝胶图片；
图4为实施例2制备的炭气凝胶的扫描电镜；
图5 为实施例3制备的有机水凝胶图片；
图6 为实施例4制备的有机水凝胶图片。
具体实施方式
实施例1
将10.0g葡萄糖溶于25mL 2.0mol/L的盐酸溶液中，在室温下完全溶解后，加入0.5ml苯胺，然后加入1.2g过硫酸铵，溶液颜色变深后立即转入反应釜中，密闭在160℃下加热20h，得到有机水凝胶(图1a)，用去离子水和乙醇反复清洗水凝胶，经过自然干燥得到有机气凝胶(图1b)，有机气凝胶在氮气氛围中以10℃/min的升温速率升至900℃，保持2h，得到炭气凝胶(图1c)。其比表面积为714 m2/g，扫描电镜见图2。
实施例2
将10.0g葡萄糖溶于25mL 1.0mol/L的盐酸溶液中，在0℃下完全溶解后，加入0.125ml苯胺，然后加入0.3g过硫酸铵，溶液颜色变深后转入反应釜中，密闭在160℃下加热10h，得到有机水凝胶(图3a)，然后用去离子水和乙醇反复清洗水凝胶，经过冷冻干燥得到有机气凝胶(图3b)，有机气凝胶在氮气氛围中以10℃/min的升温速率升至1000℃，保持2h，得到炭气凝胶(图3c)。其比表面积为1659m2/g，扫描电镜见图4。
实施例3
将7.5g蔗糖溶于25mL 2.0mol/L的硫酸溶液中，在30℃下完全溶解后，加入0.25ml苯胺，然后加入0.6g过硫酸铵，溶液颜色变深后立即转入反应釜中，密闭在140℃下加热5h，得到有机水凝胶(图5)，然后用去离子水和乙醇反复清洗水凝胶，经过冷冻干燥得到有机气凝胶，有机气凝胶在氮气氛围中以5℃/min的升温速率升至800℃，保持2h,得到炭气凝胶。
实施例4
将2.5g果糖溶于25mL 1.0mol/L的硝酸溶液中，在70℃下完全溶解后，加入1.0ml苯胺，然后加入2.5g过硫酸铵，溶液颜色开始变深后立即转入反应釜中，密闭在180℃下加热5h，得到有机水凝胶(图6)，然后用去离子水和乙醇反复清洗水凝胶，经过冷冻干燥得到有机气凝胶，得到有机气凝胶，有机气凝胶在氮气氛围中以10℃/min的升温速率升至1000℃，保持2h,得到炭气凝胶。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种炭气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.将水溶性糖类化合物溶于0～70℃的去离子水中，调节pH值小于2，溶解后，依次加入过硫酸铵和苯胺，待溶液颜色开始变深后移入反应釜中，140～220℃加热5～20h后取出，得到水凝胶；
b.用去离子水和乙醇反复清洗水凝胶，然后经过冷冻干燥得到有机气凝胶；
c.将有机气凝胶放入管式炉中，在惰性气体中炭化得到炭气凝胶。
2.根据权利要求1所述的炭气凝胶的制备方法，其特征在于：水溶性糖类化合物为葡萄糖、果糖、半乳糖、蔗糖、麦芽糖或乳糖。
3.根据权利要求1所述的炭气凝胶的制备方法，其特征在于：调节pH值所用的酸为盐酸、硫酸或硝酸。
4.根据权利要求1所述的炭气凝胶的制备方法，其特征在于：水溶性糖类化合物的浓度为0.1～0.4g/mL，苯胺浓度为0.0025～0.1g/mL，过硫酸铵与苯胺的摩尔浓度比 为1:2～2:1。
5.根据权利要求1所述的炭气凝胶的制备方法，其特征在于：炭化是在惰性气体保护下，以1～10℃/min的升温速率升至600～1000℃，然后保持1～5h，最后自然冷却至室温。
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