[發(fā)明專利]一種雜原子摻雜型炭氣凝膠及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710521810.5
• 申請日: 2017-06-30
• 公開（公告）號: CN107159122A
• 公開（公告）日: 2017-09-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉守新;李偉;鄂雷;羅沙;馬春慧
• 申請（專利權(quán)）人: 東北林業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B01J20/20
• 分類號: B01J20/20;B01J20/28;C02F1/28;B01J20/30;C02F101/30
• 代理公司: 北京高沃律師事務(wù)所11569
• 代理人: 劉奇

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電極材料制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種雜原子摻雜型炭氣凝膠的制備方法及其制備方法。

背景技術(shù)

炭氣凝膠作為一種新型的多孔性炭材料，具有高孔隙率，高比表面積，耐高溫，耐酸堿以及可降解等優(yōu)點。以炭氣凝膠為代表的具有出色電學(xué)性能的碳材料應(yīng)用于電池電極可以有效代替?zhèn)鹘y(tǒng)的重金屬以及金屬氧化物電極。

雜原子摻雜改性是賦予碳材料特殊性能的有效方式之一，合成炭材料過程中，在炭骨架表面上引進雜原子或含雜原子的官能團，改變表面官能團穩(wěn)定性，調(diào)變其形態(tài)、結(jié)構(gòu)和化學(xué)性能，影響表面碳結(jié)構(gòu)重排，從而改變其反應(yīng)活性。目前雜原子源的選擇通常來自如N,N-二甲基甲酰胺、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽等含N，P，S元素的化學(xué)試劑，然而這些化學(xué)試劑有毒，增加了環(huán)境負荷，容易造成二次污染，且摻雜含量低，不利于商業(yè)化生產(chǎn)，例如CN104907016A介紹了以間苯二酚、甲醛為原料，制備炭氣凝膠，采用成本較高的間苯二酚、甲醛等有毒原料，對環(huán)境污染較大，限制了其可持續(xù)性發(fā)展；CN105633372A公開了通過對富含纖維素的生物質(zhì)材料進行氮摻雜制備得到氮摻雜纖維基碳氣凝膠，選用的雜原子源為鎳鹽、硫脲、多巴胺、苯胺單體等成本較高，廢液容易造成二次污染。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種雜原子摻雜型炭氣凝膠的制備方法，以廢棄染料作為雜原子源，解決了現(xiàn)有技術(shù)中使用毒性有機溶劑、對環(huán)境污染的問題，利用氣凝膠的吸附性能，對廢棄染料進行吸附，同時提高雜原子的摻雜量。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

一種雜原子摻雜型炭氣凝膠的制備方法，包括以下步驟：

(1)將纖維素、堿性物質(zhì)、交聯(lián)劑和水混合，然后凍融-解凍得到水凝膠；

(2)將所述步驟(1)得到的水凝膠依次經(jīng)醇置換和冷凍干燥，得到氣凝膠；

(3)所述步驟(2)得到的氣凝膠對廢棄染料吸附，得到雜原子摻雜型氣凝膠；

(4)將所述步驟(3)得到的雜原子摻雜型氣凝膠碳化，得到雜原子摻雜型炭氣凝膠。

優(yōu)選地，所述步驟(1)中交聯(lián)劑包括溴丙烷、氯丙烷和環(huán)氧氯丙烷中的一種或幾種的混合物。

優(yōu)選地，所述步驟(1)中纖維素的質(zhì)量、水的質(zhì)量與交聯(lián)劑的體積比為1～2g:100g:5～15mL。

優(yōu)選地，所述步驟(1)中凍融-解凍的次數(shù)為6～15次。

優(yōu)選地，所述步驟(2)中冷凍干燥的溫度為-100～-10℃，所述冷凍干燥的時間為24～48小時。

優(yōu)選地，所述步驟(3)中廢棄染料包括雜原子N、P和S。

優(yōu)選地，所述廢棄染料包括亞甲基藍、甲基橙、剛果紅和羅丹明B中的一種或幾種。

優(yōu)選地，所述步驟(3)中吸附的時間為0.5～6h。

優(yōu)選地，所述步驟(3)中碳化在惰性氣體中進行，所述碳化的溫度為400～900℃，所述碳化的時間為1～2h。

本發(fā)明還提供了上述技術(shù)方案所述的制備方法制得的雜原子摻雜型炭氣凝膠，所述雜原子摻雜型炭氣凝膠中雜原子摻雜量為10％以內(nèi)。

本發(fā)明提供了一種雜原子摻雜型炭氣凝膠的制備方法，包括以下步驟：將纖維素、堿性物質(zhì)、交聯(lián)劑和水混合，然后凍融-解凍得到水凝膠，依次經(jīng)醇置換和冷凍干燥，得到氣凝膠，氣凝膠對廢棄染料吸附，得到雜原子摻雜型氣凝膠，再經(jīng)過碳化，得到雜原子摻雜型炭氣凝膠。

本發(fā)明的優(yōu)點是：

1、本發(fā)明以纖維素為原料，充分利用可再生天然資源，原料豐富廉價環(huán)保易得，同時以廢棄染料作為雜原子源，變廢為寶，既處理了環(huán)境污染問題，又得到了目的產(chǎn)物。

2、本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，解決了傳統(tǒng)工藝中雜原子源的昂貴性與污染性，以廢棄染料作為雜原子源，利用氣凝膠的吸附性能，對廢棄染料進行吸附，對廢棄染料的具有較高的吸附量(350mg/g)，經(jīng)碳化后得到雜原子摻雜型的炭氣凝膠，降低了成產(chǎn)成本，同時提高了雜原子的摻雜量。

3、本發(fā)明制備的雜原子摻雜型炭氣凝膠具有密度低(24mg/cm³)、比表面積高(270cm²/g)、耐高溫(900℃)等優(yōu)點，雜原子摻雜量具有較大的提高(10％以內(nèi))，N原子摻雜量為1.73～3.14％，可以通過控制氣凝膠對廢棄染料的吸附時間來調(diào)控雜原子摻雜量。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種雜原子摻雜型炭氣凝膠的制備方法，包括以下步驟：