[發明專利]一種利用甲殼素氣凝膠制備的碳氣凝膠及其制備方法

有效

• 申請號: 201610055042.4
• 申請日: 2016-01-27
• 公開（公告）號: CN105502346B
• 公開（公告）日: 2018-01-16
• 發明（設計）人: 盧蕓;劉波;葉貴超;郭娟;姜笑梅;尹江蘋;殷亞方
• 申請（專利權）人: 中國林業科學研究院木材工業研究所
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05
• 代理公司: 北京和信華成知識產權代理事務所(普通合伙)11390
• 代理人: 胡劍輝

技術領域

本發明涉及碳氣凝膠，具體涉及一種利用甲殼素氣凝膠制備的碳氣凝膠及其制備方法。

背景技術

氣凝膠一般是由間苯二酚和甲醛、對苯二酚與甲醛、間苯三酚和甲醛、三聚氰胺和甲醛、混甲酚與甲醛、苯酚與糠醛為原料，通過溶膠-凝膠及超臨界干燥等制備的骨架結構和孔隙結構都在100nm以下的固體材料，但是這種方法所用的原料為石化產品，成本高昂，且對環境造成巨大的污染。而生物質甲殼素氣凝膠則是以工業廢棄的蝦皮蟹殼為原料，原料廉價易得而且減少了環境污染。甲殼素氣凝膠是一種具有三維網絡結構的新型納米級多孔性固體材料，擁有低密度、高比表面積和高孔隙率，由于這些特性，生物質甲殼素氣凝膠可作為催化劑載體、吸附劑等，可廣泛應用于超級電容器、可充電電池以及電極材料，因而生物質甲殼素氣凝膠是碳氣凝膠的良好的先驅體。

碳氣凝膠是一種在20世紀80年代末期制備出來的碳材料，它是一種新型的輕質納米級多孔性素材料。碳氣凝膠是由氣凝膠經過高溫碳化獲得，保持了氣凝膠的連續網絡結構。炭化過程中官能團的熱解斷裂并沒有破壞原有的網絡結構，而是形成了豐富的孔隙結構(孔隙率(85～99％)和高的比表面積(500～2000m²/g)，并且碳氣凝膠還具有良好的導電性能(J.Sol-Gel Sci.Technol.，2004,31:1-5.)。碳氣凝膠的這些性能使得其可以廣泛應用于能源、電子、環保、醫藥及航天科學研究等領域。但是一般的生物質材料的碳氣凝膠的制備工藝還不成熟，制做出來的碳氣凝膠不僅比表面積低、孔隙度單一而且導電性還比較差，在一定程度上限制了碳氣凝膠的廣泛應用。

現有方法一般都是利用間苯二酚和甲醛、對苯二酚與甲醛、間苯三酚和甲醛、三聚氰胺和甲醛、混甲酚與甲醛、苯酚與糠醛制備氣凝膠，存在碳氣凝膠孔隙率低，比表面低等問題。專利文件《碳氣凝膠、其制備方法及其用途》(CN101910058A)中公開了一種碳氣凝膠的制備方法，但該方法所制備的碳氣凝膠來源未涉及天然生物質材料，特別是甲殼素原料。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有利用石油化工原料制備碳氣凝膠過程中得到的碳氣凝膠孔單一，比表面低等不足，提供了一種利用甲殼素氣凝膠制備的碳氣凝膠及其制備方法。

本發明提供的一種利用甲殼素氣凝膠制備碳氣凝膠的方法，其特征在于該方法是先用機械法或化學氧化的方法對甲殼素進行處理，然后經過干燥獲得甲殼素纖維氣凝膠，最后在惰性氣體保護下炭化即可獲得碳氣凝膠。本發明制備過程簡單，工藝控制容易，所用氧化劑屬環保型綠色溶劑，安全無毒，實現綠色制備工藝，又降低了成本，而且所制備的碳氣凝膠無毒，3D網絡結構，高比表面，孔隙度高且具有一定的力學強度。制備的碳氣凝膠材料在吸附，光催化，鋰電，超電等方面可廣泛利用，同時該制備方法高效利用了廉價生物資源，通過甲殼素納米纖維制備出了結構優異的碳氣凝膠，提高了其使用價值，也為高效利用甲殼素氣凝膠資源提供了新的思路和方法。

本發明的技術方案為：

一種利用甲殼素氣凝膠制備的碳氣凝膠，利用機械法或化學氧化的方法制備甲殼素納米纖維氣凝膠繼而在惰性氣體保護下炭化的方法制成。

一種利用甲殼素氣凝膠制備的碳氣凝膠，通過以下步驟實現的：

(1)將蝦皮、蟹殼利用化學抽提脫除脂類、酸處理脫除無機鹽、

堿處理脫去蛋白質等雜質的方法進行純化；

(2)純化后的蝦皮、蟹殼通過盤磨的方法配制1wt％分散液；

(3)將上述分散好的分散液加入磷酸鹽或醋酸鹽緩沖溶液，在磁力攪拌器上300～1000rpm，常溫常壓攪拌5～30min；

(4)將步驟(2)得到的分散液直接加入TEMPO和NaBr，分散均勻后，加入NaClO,TEMPO：NaBr：NaClO的摩爾比為1：10：20～50，攪拌下進行反應，利用0.1～5mol/L的NaOH控制分散液的pH在10～11，反應1～12h，加入乙醇終止反應，乙醇：NaClO的摩爾比為1：10～500；或將步驟(3)得到的分散液加入TEMPO和NaClO，分散均勻后，加入NaClO₂,TEMPO：NaClO：NaClO₂的摩爾比為1：10～50：100，攪拌下進行反應，將容器密閉加熱，最后加入乙醇終止反應，乙醇：NaClO的摩爾比為乙醇：NaClO₂＝1：100～1000；