[發明專利]一種高比表面積碳氣凝膠及其制備方法

有效

• 申請號: 201710238793.4
• 申請日: 2017-04-13
• 公開（公告）號: CN107032319B
• 公開（公告）日: 2019-08-23
• 發明（設計）人: 許躍龍;劉振法;閆美芳;王莎莎
• 申請（專利權）人: 河北省科學院能源研究所
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05
• 代理公司: 石家莊新世紀專利商標事務所有限公司 13100
• 代理人: 張曉龍

本發明涉及一種高比表面積碳氣凝膠，比表面積716～1072 m²/g，孔徑分布7.59～9.02 nm，孔容0.22～0.32 cm³/g，比電容108～175 F/g，還涉及上述碳氣凝膠的制備方法，包括有機濕凝膠制備、溶劑置換、常壓干燥、高溫炭化。本發明以多羥基苯以及甲醛為原料，加入4?羥基苯磺酸鈉作為表面活性劑，無水碳酸鈉和抗壞血酸作為酸堿催化劑采用溶膠?凝膠法制備有機濕凝膠；抗壞血酸在堿性高溫條件下能夠緩慢分解釋放小分子氣體，表面活性劑的作用對凝膠生成過程中的比表面、孔徑和孔容起到了很大的影響，能夠達到提高反應速度，增大比表面積，增大孔徑和孔容的同時增強導電性能的效果。

技術領域

本發明涉及一種高比表面積碳氣凝膠及其制備方法。

背景技術

近半個世紀以來，隨著超級電容器的發展，對于高比表面積和高電容性材料的需求越來越大。碳材料作為新興的高孔隙度，低密度，強導電性電容材料受到科研工作者的廣泛關注。Pekala 在1989年報道了一種新型碳材料--碳氣凝膠，該材料具體超大比表面積和優良的電化學特性，因而自從問世就引起了極大興趣。較高的比表面積使得碳氣凝膠能夠在重金屬吸附分離方面有著巨大應用潛力；優良的電化學特性使得碳氣凝膠在超級電容器領域有著良好的應用前景。傳統的碳氣凝膠制備方法是以間苯二酚與甲醛溶液作為反應試劑，以弱堿碳酸鈉作為催化劑來進行縮聚反應形成酚醛類氣凝膠，再通過程序升溫燒結，炭化從而制得成品的。對于碳氣凝膠的改性是近年來碳材料領域研究的熱點。傳統碳氣凝膠制備所用催化劑大多是弱酸或弱堿，國內外學者對碳氣凝膠的制備研究也大多是集中于這兩類催化劑上面。

由于碳氣凝膠在制備工藝中存在的難以成型，制備周期長，超高比表面積所需要的超臨界條件，等等問題，限制了碳氣凝膠工藝的放大化。常見的弱酸可以使得碳氣凝膠有較好的比表面，但是會降低碳氣凝膠的孔徑；傳統的弱堿催化劑能夠得到很好的孔徑結構，只是碳氣凝膠的制備周期比較長，同時比表面積不理想。例如專利《一種用于電吸附電極的碳氣凝膠及其制備方法》中以碳酸鈉為催化劑同時負載金屬才能達到理想的比表面積和比電容，由于金屬的應用而增加了原料成本。近年來一些國外學者嘗試在反應有機前驅體中加入新型催化劑來制備性能和結構更優越的碳氣凝膠，但是這些催化劑或價格昂貴，或對環境不友好，因而影響了其使用范圍。

發明內容

本發明的目的是提供一種非超臨界條件下制備的比表面積高、比電容高的碳氣凝膠及其制備方法，該制備方法具備制備周期短、成本較低、制備工藝條件簡易、廣適性強、安全環保的優點。

本發明采用如下技術方案：

一種高比表面積碳氣凝膠，其具備如下參數：比表面積716～1071 m²/g，孔徑分布7.59～9.02 nm，孔容0.22～0.32 cm³/g，比電容108～175 F/g。

進一步的，所述碳氣凝膠由以下步驟制備：

（1）有機濕凝膠制備：多羥基苯與甲醛按照物質的量之比為1:2混合，加入去離子水配制成質量分數為35～40%的反應液，加入表面活性劑4-羥基苯磺酸鈉，所述4-羥基苯磺酸鈉與所述多羥基苯的摩爾比為1:25～100，加入抗壞血酸，所述抗壞血酸與所述多羥基苯的摩爾比為1:50，最后再加入無水碳酸鈉，所述無水碳酸鈉與所述多羥基苯的摩爾比為1:500，將反應液混合均勻后密封，保溫60℃充分反應1天，制得濕凝膠；

（2）溶劑置換：將步驟（1）制備的濕凝膠浸泡于有機溶液中進行溶劑置換，每隔24小時更換一次有機溶劑，期間更換3～5次；

（3）常壓干燥：在常溫常壓下，待有機溶劑自然揮發完全后，即制得干燥的有機氣凝膠；