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

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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。
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