[發(fā)明專利]一種基于空氣活化造孔的具有超高比表面積的超純碳?xì)饽z及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810835041.0
• 申請日: 2018-07-26
• 公開（公告）號: CN108854874B
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張和平;潘月磊;程旭東;龔倫倫
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: B01J13/00
• 分類號: B01J13/00;C01B32/05;B01J20/20;B01J20/28;B01J20/30
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 趙青朵

本發(fā)明提供了一種碳?xì)饽z，所述碳?xì)饽z具有由碳顆粒堆積形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；所述碳顆粒表面具有微孔結(jié)構(gòu)。本發(fā)明制備的碳?xì)饽z呈現(xiàn)出均勻的介孔結(jié)構(gòu)，三維網(wǎng)絡(luò)的立體感強，空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是由碳小球堆積而成，小球之間的排布與連接非常緊密，整體結(jié)構(gòu)完整。而且碳?xì)饽z不僅具有碳小球堆積形成的介孔結(jié)構(gòu)，碳小球自身還具有大量的微孔結(jié)構(gòu)，從而極大的增強了碳?xì)饽z的比表面積，BET比表面積能夠達(dá)到1200m²/g左右。而且本發(fā)明采用常壓干燥得到了碳?xì)饽z，無需溶劑交換步驟，而且不使用無機(jī)金屬堿性催化劑，實現(xiàn)了極好的生物相容性，得到了超純的碳?xì)饽z，在食品級藥物負(fù)載，催化劑負(fù)載，物質(zhì)吸附劑，儲能材料等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及氣凝膠技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種碳?xì)饽z及其制備方法，尤其涉及一種基于空氣活化造孔的具有超高比表面積的超純碳?xì)饽z及其制備方法。

背景技術(shù)

氣凝膠，又稱為干凝膠，是一種固體物質(zhì)形態(tài)，由膠體粒子或高聚物分子相互聚結(jié)構(gòu)成納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在孔隙中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)的一種高分散固態(tài)材料，其具有超低密度、高比表面積、高孔隙率和優(yōu)異隔熱性等性能，在超級隔熱材料、隔音材料、粒子探測器、低介電常數(shù)氣凝膠薄膜、慣性靶向材料等方面具有廣泛應(yīng)用。

氣凝膠的種類很多，有硅系，碳系，硫系，金屬氧化物系或金屬系等等，其中碳?xì)饽z是一種特殊的凝聚態(tài)功能材料，由許多相互連接且均勻的小顆粒組成，具有明確的介孔結(jié)構(gòu)。碳?xì)饽z具有優(yōu)異的各項性能，高孔隙率(95％)，高比表面積(400m²/g)，超強的導(dǎo)電性，高導(dǎo)熱能力，足夠的耐腐蝕型，低熱膨脹系數(shù)、超低密度和彈性，這些卓越的特性使得其成為一種被廣泛應(yīng)用的功能材料。碳?xì)饽z在儲能材料，催化劑載體材料以及環(huán)境中有害物質(zhì)吸附材料等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值和地位。高比表面和高導(dǎo)電性的特性使得其在儲能材料和器件，尤其是鋰離子電池正負(fù)極材料，電化學(xué)超級電容器上備受青睞。此外，高孔隙率和高比表面積、無毒無害以及生物相容性好等特點又使碳?xì)饽z在吸附劑材料，催化劑載體和藥物載體等方面得到了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可，具有很好的應(yīng)用前景和巨大的可開發(fā)潛力。

因而，近些年來關(guān)于制備碳?xì)饽z的研究也日益增多，其中GloriaRasines團(tuán)隊利用間苯二酚、甲醛和三聚氰胺作為聚合單體，以碳酸鈉作為堿性催化劑，以促進(jìn)交聯(lián)反應(yīng)，得到了酚醛聚合物凝膠。然后采用超臨界二氧化碳干燥并高溫碳化處理得到碳?xì)饽z。JunLi等人利用間苯二酚與甲醛溶液，在碳酸鈉的催化作用下得到酚醛聚合物，然后用低表面張力的丙酮進(jìn)行溶劑交換，在常壓條件下干燥并高溫碳化得到了碳?xì)饽z。該碳?xì)饽z的比表面積為400-600m²/g。但是上述碳?xì)饽z制備過程中會引入堿性催化劑，如碳酸鈉或者碳酸鉀等，這些金屬鹽的摻入會在碳?xì)饽z引入金屬雜質(zhì)，不能得到超純的碳?xì)饽z材料，這就限制了碳?xì)饽z在藥物負(fù)載用于人體或者其他生物直接吞服的應(yīng)用可能性。并且在文獻(xiàn)中可以發(fā)現(xiàn)，所制備得到的碳?xì)饽z的比表面積普遍不夠高，不能滿足一些需要極高負(fù)載量的領(lǐng)域的需求。而且目前碳?xì)饽z的干燥方法普遍采用超臨界干燥方法，例如Katsuhiko Muroyama團(tuán)隊利用間苯二酚與甲醛作為聚合單體，碳酸鉀作為催化劑，在二氧化碳超臨界干燥后高溫碳化，得到了碳?xì)饽z。Gene Dresselhaus團(tuán)隊同樣利用間苯二酚與甲醛作為單體，碳酸鈉作為堿催化劑，利用乙醇作為超臨界流體，干燥并高溫碳化得到碳?xì)饽z。超臨界干燥方法制備具有所需時間短，理論上能夠避免干燥過程中的毛細(xì)管壓力，但是同樣也存在許多弊端，如需要高溫高壓以達(dá)到所用物質(zhì)的超臨界流體狀態(tài)，對儀器設(shè)備的要求比較高，從而大大提高了制備成本。同時高溫高壓的條件下，操作的危險程度也相應(yīng)提高。因此，常壓干燥方法制備碳?xì)饽z已經(jīng)成為科學(xué)家們研究的重點。

中國專利公開號CN1891622報道了一種常壓碳?xì)饽z的制備方法，為了實現(xiàn)常壓干燥下不引起孔隙的收縮和結(jié)構(gòu)破壞，采用低表面張力的丙酮、丁酮、環(huán)己烷等溶劑進(jìn)行充分的溶劑交換，以替換孔隙中的甲醛等流體，從而實現(xiàn)了常壓干燥制備碳?xì)饽z，但是該常壓干燥方法需要大量的溶劑進(jìn)行交換，大大增加了成本和原料的浪費。而且常壓干燥所制備得到的碳?xì)饽z的比表面積仍然不高。