[發明專利]一種碳質氣凝膠的制備方法及氣凝膠

有效

• 申請號: 202010104187.5
• 申請日: 2020-02-20
• 公開（公告）號: CN113277864B
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發明（設計）人: 馬永梅;毛一丁;張京楠;曹新宇;葉鋼;鄭鯤;薛朝華
• 申請（專利權）人: 中國科學院化學研究所
• 主分類號: C04B35/83
• 分類號: C04B35/83;C04B35/524;C04B35/532;C04B38/00
• 代理公司: 北京元中知識產權代理有限責任公司 11223
• 代理人: 李達寬

本發明公開了一種碳質氣凝膠的制備方法及氣凝膠，所述制備方法包括對具有隔離結構的高分子復合材料進行碳化處理，使高分子組分熱解殘留的碳與形成隔離結構的組分共同構成三維網絡，所述三維網絡再經石墨化處理即得碳質氣凝膠。本發明的制備方法以具有隔離結構復合材料為原料，所述復合材料以碳質材料作為隔離結構網絡，以高分子組分作為支撐體，通過高溫碳化的熱處理方式去除其中的高分子組分，使留下的碳質材料形成三維網絡，經石墨化得到具有高孔隙率和優良壓縮強度的氣凝膠。

技術領域

本發明屬于氣凝膠技術領域，具體地說，涉及一種碳質氣凝膠的制備方法及氣凝膠。

背景技術

碳質氣凝膠是一種具有多孔結構的三維石墨烯材料，實現二維材料到三維的轉變，不僅保留了原本碳質材料所具有的優異物理化學性質，良好的導電、導熱性以及優異的機械性能，還賦予二維材料所不具備的低密度、大比表面積、高的孔隙率等結構特點，進而拓寬材料的應用范圍，使其可以滿足吸附劑、催化劑載體、生物傳感器及電池與超級電容器電極材料等先進功能材料領域的應用需要。

目前，制備碳質氣凝膠常用的方式可概括為自組裝、模板法以及3D打印。例如，公開號為CN109824037A的發明專利公開了一種石墨烯氣凝膠電極材料的制備方法，將還原性的離子液體復合物與氧化石墨烯通過一步水熱法生成石墨烯水凝膠，凍干后得到石墨烯氣凝膠電極材料。公開號為CN110127675A的發明專利公開了石墨烯氣凝膠的制造方法，通過將聚合物泡沫浸漬在氧化石墨烯溶液中，得到氧化石墨烯包覆的聚合物泡沫，后經過熱處理得到石墨烯氣凝膠。公開號為CN108584937A的發明專利公開了一種新型的可壓縮回彈的石墨烯氣凝膠的制備方法，制備石墨烯噴墨前驅體與碳納米管噴墨前驅體，采用3D打印平臺進行打印三維石墨烯塊，水熱反應制得三維石墨烯水凝膠，冷凍干燥制得石墨烯氣凝膠。上述的現有技術雖然可以制得具有三維石墨烯結構的氣凝膠，但是均以氧化石墨烯為原料，因此需要在制備過程中還要添加還原劑等，制備工藝復雜且不環保。

有鑒于此，特提出本發明。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于克服現有技術的不足，提供一種碳質氣凝膠的制備方法，使用未經氧化處理的碳質材料，與高分子聚合物混合后經熱成型制成具有隔離結構的復合材料；再以所述復合材料為原料經高溫碳化、石墨化去除高分子相，從而得到具有碳質三維網絡的氣凝膠。

為解決上述技術問題，本發明采用技術方案的基本構思是：

本發明提供了一種碳質氣凝膠的制備方法，所述制備方法包括對具有隔離結構的高分子復合材料進行碳化處理，使高分子組分熱解殘留的碳與形成隔離結構的組分共同構成三維網絡，所述三維網絡再經石墨化處理即得碳質氣凝膠。

上述方案中，具有隔離結構的高分子復合材料指碳系材料在復合體系中呈選擇性分布，所述碳系材料分布于高分子顆粒表面，后經過一定的成型工藝在復合體系中形成有效的網絡結構。不同于現有技術中以氧化石墨烯為原料，采用冷凍干燥并添加還原劑來制成氣凝膠，本發明采用未經氧化還原處理的石墨烯原片作為原料，采用熱成型方式，不需要施加額外的壓力，也不需要經過冷凍干燥過程。

根據上述制備方法，所述碳質氣凝膠的形成與隔離結構高分子復合材料中復合粉末的熔融指數呈負相關，即低熔指的復合粉末更有利于形成碳質氣凝膠；通過調節碳系材料的含量與高分子組分的熔體流動性，使復合材料中的隔離網絡結構在碳化后完整地保留，進一步可在石墨化后得到結構可設計的碳質氣凝膠。