CN112811419B - 一种碳气凝胶的低成本制备工艺及碳气凝胶 - Google Patents

一种碳气凝胶的低成本制备工艺及碳气凝胶 Download PDF

Info

Publication number
CN112811419B
CN112811419B CN202110330588.7A CN202110330588A CN112811419B CN 112811419 B CN112811419 B CN 112811419B CN 202110330588 A CN202110330588 A CN 202110330588A CN 112811419 B CN112811419 B CN 112811419B
Authority
CN
China
Prior art keywords
aerogel
carbon aerogel
starch
temperature
carbon
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110330588.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112811419A (zh
Inventor
吴海荣
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hong Hitech Beijing Co ltd
Original Assignee
Hong Hitech Beijing Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hong Hitech Beijing Co ltd filed Critical Hong Hitech Beijing Co ltd
Priority to CN202110330588.7A priority Critical patent/CN112811419B/zh
Publication of CN112811419A publication Critical patent/CN112811419A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112811419B publication Critical patent/CN112811419B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/30Active carbon
    • C01B32/312Preparation
    • C01B32/318Preparation characterised by the starting materials
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/30Active carbon
    • C01B32/312Preparation
    • C01B32/336Preparation characterised by gaseous activating agents

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

本发明公开了一种碳气凝胶的低成本制备工艺。本发明的技术方案是:一种碳气凝胶的低成本制备工艺,包括以下步骤,a、将淀粉和常温去离子水混合均匀再将混合液加入到100℃的去离子水中,搅拌均匀直至全部成为半透明状;b、将步骤a得到的半透明状液体放在常温下老化、加入丙酮置换、加入二氯甲烷置换后进行疏水处理;c、对步骤b中的液体干燥得到固体淀粉碳凝胶,在管式炉中通入N2并逐步升温使淀粉气凝胶发生分解碳化得到碳气凝胶,然后冷却;d、继续通入CO2并升温活化,得到黑色多孔状的碳气凝胶。本发明提供的方案成本低、工艺简单能够得到超轻碳气凝胶。

Description

一种碳气凝胶的低成本制备工艺及碳气凝胶
技术领域
本发明涉及纳米新材料及其制备技术领域,特别涉及一种低成本碳气凝胶的制备工艺。
背景技术
碳气凝胶作为一种新型轻质纳米多孔无定形炭素材料,在声学、光学、电学、动力学和低温热学等方面具有很好的应用前景。其突出的特点是比表面积高、质量轻、高孔隙率、导电性能好、热导率低等,在吸附、能量的转化与储存、传感器以及绝热保温材料等领域具有广泛的应用。
但是现有碳气凝胶制备工艺复杂,一般采用溶胶凝胶法或模板导向法。前者一般以间苯二酚和甲醛为原料,在碱性催化剂的作用下形成凝胶,然后超临界干燥得到有机气凝胶,并且在惰性气体下高温热解得到碳气凝胶;后者一般依赖于模板的精细结构和尺寸,难以大批量制备。
发明内容
针对现有技术存在的不足,本发明的主要目的在于提供一种成本低、工艺简单的制备工艺以及超轻碳气凝胶。
为实现上述目的,本发明提供了如下技术方案:一种碳气凝胶的低成本制备工艺,包括以下步骤,
a、将淀粉和常温去离子水混合均匀再将混合液加入到100℃的去离子水中,搅拌均匀直至全部成为半透明状;
b、将步骤a得到的半透明状液体放在常温下老化、加入丙酮置换、加入二氯甲烷置换后进行疏水处理;
c、对步骤b中的液体干燥得到固体淀粉碳凝胶,在管式炉中通入N2并逐步升温使淀粉气凝胶发生分解碳化得到碳气凝胶,然后冷却;
d、继续通入CO2并升温活化,得到黑色多孔状的碳气凝胶。
优选的,所述淀粉与去离子水的质量比为1:3~1:8。
优选的,所述淀粉与去离子水的质量比为1:6。
优选的,所述步骤b中老化时间、丙酮置换时间、二氯甲烷的置换时间以及疏水处理时间均为20~30小时。
优选的,所述步骤c中的干燥过程是,在负压环境下,50℃温度下干燥48小时,得到白色固体淀粉气凝胶。
优选的,所述步骤c中的升温及分解碳化过程是,将淀粉气凝胶放入管式炉中,在N2流中,温度从0~850℃,升温速率5℃/min,共170min,在850℃保持2小时使淀粉气凝胶发生分解碳化得到碳气凝胶。
优选的,所述所述步骤c中的冷却过程是,在通N2情况下经60min降温至500℃,500℃自然冷却至室温。
优选的,所述步骤d中升温活化的过程是,通入CO2,温度升至800℃进行活化,保持2小时,然后冷却至室温得到黑色多孔状的碳气凝胶。
一种碳气凝胶,所述碳气凝胶为由多孔的石墨片层交联成的结构,含有微孔、介孔和大孔,所述微孔尺寸为0.5~2nm,介孔尺寸为3~10nm,大孔尺寸为50~100nm。
优选的,其比表面积为1000~1800m2g-1,其中中微孔的比表面积占总比表面积的60%~80%。
本发明相对于现有技术具有如下优点,利用超低成本的淀粉做为原料,简化了制备工艺流程,工艺简单安全,不用超临界干燥工艺,能够得到超轻碳气凝胶。其适用范围广泛,可以适用于:1、燃料电池电催化剂载体或电催化剂,碳气凝胶及其复合材料因具有比表面积大、电化学性能稳定以及导电性等特点,在燃料电池中主要被作为电催化剂的载体或直接作为电催化剂。2、用于锂离子电池电极材料,目前,碳气凝胶在锂离子电池中的应用:一是作为锂离子电池的导电剂;二是作为锂离子电池的电极材料。3、超级电容器,碳气凝胶因具有高比表面积、高孔隙率、高电导率等特点,因此可以作为超级电容器的电极材料。
具体实施方式
下面对本发明作进一步说明。
一种碳气凝胶的低成本制备工艺,包括以下步骤,
a、将淀粉和常温去离子水混合均匀再将混合液加入到100℃的去离子水中,搅拌均匀直至全部成为半透明状;
b、将步骤a得到的半透明状液体放在常温下老化、加入丙酮置换、加入二氯甲烷置换后进行疏水处理;
c、对步骤b中的液体干燥得到固体淀粉碳凝胶,在管式炉中通入N2并逐步升温使淀粉气凝胶发生分解碳化得到碳气凝胶,然后冷却;
d、继续通入CO2并升温活化,得到黑色多孔状的碳气凝胶。
优选的,所述淀粉与去离子水的质量比为1:3~1:8。
优选的,所述淀粉与去离子水的质量比为1:6。
优选的,所述步骤b中老化时间、丙酮置换时间、二氯甲烷的置换时间以及疏水处理时间均为20~30小时。
优选的,所述步骤c中的干燥过程是,在负压环境下,50℃温度下干燥48小时,得到白色固体淀粉气凝胶。
优选的,所述步骤c中的升温及分解碳化过程是,将淀粉气凝胶放入管式炉中,在N2流中,温度从0~850℃,升温速率5℃/min,共170min,在850℃保持2小时使淀粉气凝胶发生分解碳化得到碳气凝胶。
优选的,所述所述步骤c中的冷却过程是,在通N2情况下经60min降温至500℃,500℃自然冷却至室温。
优选的,所述步骤d中升温活化的过程是,通入CO2,温度升至800℃进行活化,保持2小时,然后冷却至室温得到黑色多孔状的碳气凝胶。
一种碳气凝胶,所述碳气凝胶为由多孔的石墨片层交联成的结构,含有微孔、介孔和大孔,所述微孔尺寸为0.5~2nm,介孔尺寸为3~10nm,大孔尺寸为50~100nm。
优选的,其比表面积为1000~1800m2g-1,其中中微孔的比表面积占总比表面积的60%~80%。
本方案利用超低成本的淀粉做为原料,简化了制备工艺流程,工艺简单安全,不用超临界干燥工艺,能够得到超轻碳气凝胶。其适用范围广泛,可以适用于:1、燃料电池电催化剂载体或电催化剂,碳气凝胶及其复合材料因具有比表面积大、电化学性能稳定以及导电性等特点,在燃料电池中主要被作为电催化剂的载体或直接作为电催化剂。2、用于锂离子电池电极材料,目前,碳气凝胶在锂离子电池中的应用:一是作为锂离子电池的导电剂;二是作为锂离子电池的电极材料。3、超级电容器,碳气凝胶因具有高比表面积、高孔隙率、高电导率等特点,因此可以作为超级电容器的电极材料。
实施例一:本实施例中制备的碳气凝胶原材料部分,淀粉:去离子水=1:4,淀粉为普通家用淀粉,去离子水分两部分,一部分常温水混匀淀粉,另一部分水烧开到100℃,最后将常温混匀的淀粉溶液倒到沸水中,不断搅拌,直到全部成为半透明状为止。然后放在放在常温下,老化24小时;在环境压力下加入无水丙酮没过淀粉凝胶,盖上密封盖,置换24小时;然后换二氯甲烷置换24小时;为了降低凝胶表面张力,用疏水剂处理24小时;在负压环境下,50℃干燥48小时,得到白色固体淀粉气凝胶;将淀粉气凝胶放入管式炉中,在N2流中,温度从0~850℃,升温速率5℃/min,共170min,在850℃保持2小时使淀粉气凝胶发生分解碳化得到碳气凝胶。然后在通N2情况下经60min降温至500℃,500℃自然冷却至室温,然后通入CO2,温度升至800℃进行活化,保持2小时,然后冷却至室温得到黑色多孔状的碳气凝胶。
案例二:本实施例中制备的碳气凝胶原材料部分,淀粉:去离子水=1:5,淀粉为普通家用淀粉,去离子水分两部分,一部分常温水混匀淀粉,另一部分水烧开到100℃,最后将常温混匀的淀粉溶液倒到沸水中,不断搅拌,直到全部成为半透明状为止。然后放在放在常温下,老化24小时;在环境压力下加入无水丙酮没过淀粉凝胶,盖上密封盖,置换24小时;然后换二氯甲烷置换24小时;为了降低凝胶表面张力,用疏水剂处理24小时;在负压环境下,50℃干燥48小时,得到白色固体淀粉气凝胶;将淀粉气凝胶放入管式炉中,在N2流中,温度从0~850℃,升温速率5℃/min,共170min,在850℃保持2小时使淀粉气凝胶发生分解碳化得到碳气凝胶。然后在通N2情况下经60min降温至500℃,500℃自然冷却至室温,然后通入CO2,温度升至800℃进行活化,保持2小时,然后冷却至室温得到黑色多孔状的碳气凝胶。
案例三:本实施例中制备的碳气凝胶原材料部分,淀粉:去离子水=1:6,淀粉为普通家用淀粉,去离子水分两部分,一部分常温水混匀淀粉,另一部分水烧开到100℃,最后将常温混匀的淀粉溶液倒到沸水中,不断搅拌,直到全部成为半透明状为止。然后放在放在常温下,老化24小时;在环境压力下加入无水丙酮没过淀粉凝胶,盖上密封盖,置换24小时;然后换二氯甲烷置换24小时;为了降低凝胶表面张力,用疏水剂处理24小时;在负压环境下,50℃干燥48小时,得到白色固体淀粉气凝胶;将淀粉气凝胶放入管式炉中,在N2流中,温度从0~850℃,升温速率5℃/min,共170min,在850℃保持2小时使淀粉气凝胶发生分解碳化得到碳气凝胶。然后在通N2情况下经60min降温至500℃,500℃自然冷却至室温,然后通入CO2,温度升至800℃进行活化,保持2小时,然后冷却至室温得到黑色多孔状的碳气凝胶。
实施例1-实施例3所制备的碳气凝胶比表面积为1242m2g-1,1523m2g-1,1761m2g-1,其中中微孔的比表面积占总比表面积的60%~80%。高的比表面积可以使碳气凝胶在吸附、能量的转化与储存、传感器以及绝热保温材料等领域得到广泛的应用。
碳气凝胶为由多孔的石墨片层交联成的结构,含有微孔、介孔和大孔,所述微孔尺寸为0.5~2nm,介孔尺寸为3~10nm,大孔尺寸为50~100nm。其比表面积为1000~1800m2g-1,其中中微孔的比表面积占总比表面积的60%~80%。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种碳气凝胶的低成本制备工艺,其特征在于:包括以下步骤,
a、将淀粉和常温去离子水混合均匀再将混合液加入到100℃的去离子水中,搅拌均匀直至全部成为半透明状;其中,所述淀粉与去离子水的质量比为1:6;
b、将步骤a得到的半透明状液体放在常温下老化、加入丙酮置换、加入二氯甲烷置换后进行疏水处理;其中,老化时间、丙酮置换时间、二氯甲烷的置换时间以及疏水处理时间均为24小时;
c、对步骤b中的液体干燥得到固体淀粉碳凝胶,在管式炉中通入N2并逐步升温使淀粉气凝胶发生分解碳化得到碳气凝胶,然后冷却;其中,干燥过程是,在负压环境下,50℃温度下干燥48小时,得到白色固体淀粉气凝胶;升温及分解碳化过程是,将淀粉气凝胶放入管式炉中,在N2流中,温度从0~850℃,升温速率5℃/min,共170min,在850℃保持2小时使淀粉气凝胶发生分解碳化得到碳气凝胶;冷却过程是,在通N2情况下经60min降温至500℃,500℃自然冷却至室温;
d、继续通入CO2并升温活化,得到黑色多孔状的碳气凝胶;其中,升温活化的过程是,通入CO2,温度升至800℃进行活化,保持2小时,然后冷却至室温得到黑色多孔状的碳气凝胶;
所述碳气凝胶的比表面积为1761m2g-1
2.一种利用权利要求1所述的低成本碳气凝胶的制备工艺制成的碳气凝胶,其特征在于:所述碳气凝胶为由多孔的石墨片层交联成的结构,含有微孔、介孔和大孔,所述微孔尺寸为0.5~2nm,介孔尺寸为3~10nm,大孔尺寸为50~100nm;
所述碳气凝胶的比表面积为1761m2g-1
CN202110330588.7A 2021-03-29 2021-03-29 一种碳气凝胶的低成本制备工艺及碳气凝胶 Active CN112811419B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110330588.7A CN112811419B (zh) 2021-03-29 2021-03-29 一种碳气凝胶的低成本制备工艺及碳气凝胶

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110330588.7A CN112811419B (zh) 2021-03-29 2021-03-29 一种碳气凝胶的低成本制备工艺及碳气凝胶

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112811419A CN112811419A (zh) 2021-05-18
CN112811419B true CN112811419B (zh) 2023-10-17

Family

ID=75863584

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110330588.7A Active CN112811419B (zh) 2021-03-29 2021-03-29 一种碳气凝胶的低成本制备工艺及碳气凝胶

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112811419B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024160876A1 (de) 2023-02-01 2024-08-08 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Kohlenstoffaerogele mit hoher elektrischer leitfähigkeit und einstellbarer mikrostruktur für kathodendesign in metall-schwefel batterien und polymerelektrolytmembran-brennstoffzellen

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2910458A1 (fr) * 2006-12-20 2008-06-27 Centre Nat Rech Scient Aerogels a base de nanotubes de carbone
CN104743541A (zh) * 2013-12-31 2015-07-01 西北大学 一种碳气凝胶的制备方法
CN107369563A (zh) * 2016-05-12 2017-11-21 复旦大学 一种硫化镍颗粒/纤维素基复合碳气凝胶材料的制备方法
CN110589827A (zh) * 2019-10-25 2019-12-20 河北省科学院能源研究所 一种双活化法制备生物质碳气凝胶的方法及其应用
CN111533093A (zh) * 2020-05-29 2020-08-14 哈尔滨工业大学 基于冷冻干燥法和管式炉高温加热法相结合的块状氮化硼气凝胶的制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2910458A1 (fr) * 2006-12-20 2008-06-27 Centre Nat Rech Scient Aerogels a base de nanotubes de carbone
CN104743541A (zh) * 2013-12-31 2015-07-01 西北大学 一种碳气凝胶的制备方法
CN107369563A (zh) * 2016-05-12 2017-11-21 复旦大学 一种硫化镍颗粒/纤维素基复合碳气凝胶材料的制备方法
CN110589827A (zh) * 2019-10-25 2019-12-20 河北省科学院能源研究所 一种双活化法制备生物质碳气凝胶的方法及其应用
CN111533093A (zh) * 2020-05-29 2020-08-14 哈尔滨工业大学 基于冷冻干燥法和管式炉高温加热法相结合的块状氮化硼气凝胶的制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Xinhong Chang et al..Starch-derived carbon aerogels with high-performance for sorption of cationic dyes.《Polymer》.2010,第51卷(第16期),第3802页左栏、3804页、表1. *
冯怡.《中药固体制剂技术理论与实践》.中国中医药出版社,2017,第46-47页. *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112811419A (zh) 2021-05-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20190260012A1 (en) Method for preparing boron-doped porous carbon sphere
CN108134104B (zh) 一种燃料电池用复合催化剂载体及其制备方法和应用
CN107256972A (zh) 一种基于空心碳球模板生长多孔钴酸镍纳米片的方法
CN109081340B (zh) 一种松树基生物质活性炭及其制备方法和在电化学储能中的应用
CN106365163B (zh) 一种剑麻纤维活性炭的制备方法及该剑麻纤维活性炭在锂离子电容器中的应用
CN109599546A (zh) 一种沥青碳包覆天然混合石墨材料及其制备锂离子电池负极的方法
CN110993975B (zh) 氮掺杂多孔碳非金属催化剂及其制备方法和在氧化还原反应中的应用
Liu et al. Preparation and electrochemical studies of electrospun phosphorus doped porous carbon nanofibers
CN113135568A (zh) 一种氮掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用
CN113328067A (zh) 具有多层核壳结构的硬碳负极材料及其制备方法和应用
CN113066996B (zh) 一种pem燃料电池、气体扩散层多孔碳纸及其制备方法
CN110697714A (zh) 一种萝卜衍生的氮掺杂的分级多孔炭及其制备方法和应用
CN112265990A (zh) 一种糠醛渣多孔活性炭材料的制备方法及其应用
CN112794324A (zh) 一种高介孔率木质素多级孔碳材料及其制备方法与应用
CN112811419B (zh) 一种碳气凝胶的低成本制备工艺及碳气凝胶
CN115410834A (zh) 一种催化活化制备木质素基超容炭的方法
CN112225217A (zh) 一种剑麻基氮磷共掺杂活性炭及其制备方法和应用
CN114890403A (zh) 一种氮掺杂聚合物衍生碳材料及其在钠离子电池中的应用
CN115249817B (zh) 一种燃料电池气体扩散层用碳纸材料的催化石墨化方法
CN109494365A (zh) 一种用于锂硫电池正极的ldh-多孔炭硫复合材料的制备方法
CN107879324A (zh) 一种制备氮掺杂碳气凝胶的方法
CN109560279B (zh) 一种木棉制备多孔生物碳锂硫电池正极材料的方法
CN112479205A (zh) 一种窄孔径竹箨活性炭及其制备方法
CN109244467B (zh) 一种狗尾巴草制备生物碳负极材料的方法
CN110407208A (zh) 一种介孔石墨烯基炭气凝胶的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20221025

Address after: No. 201, Floor 2, Building A, No. 51, Kunming Hunan Road, Haidian District, Beijing 100089

Applicant after: HONG HITECH (BEIJING) CO.,LTD.

Address before: 215400 4th floor, building a, 88 Beijing East Road, Taicang Development Zone, Suzhou City, Jiangsu Province

Applicant before: Yurong (Jiangsu) new material technology Co.,Ltd.

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant