[發明專利]一種由水凝膠前體材料通過水熱過程制備碳氣凝膠的方法

有效

• 申請號: 202010117846.9
• 申請日: 2020-02-25
• 公開（公告）號: CN111285345B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發明（設計）人: 李峰波;袁國卿;宋延林
• 申請（專利權）人: 中國科學院化學研究所
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;B01J13/00
• 代理公司: 北京天達知識產權代理事務所(普通合伙) 11386
• 代理人: 楊光

本發明涉及一種由水凝膠前體材料通過水熱過程制備碳氣凝膠的方法，屬于新材料領域，解決了現有技術中碳制備過程復雜、采用超臨界干燥成本昂貴的問題。本發明包括以下步驟：步驟1、利用稀鹽酸將殼聚糖進行酸化，并與水溶性碳水化合物形成混合溶液；步驟2、加入聚山梨酯類非離子表面活性劑和液體石蠟，然后加入戊二醛，形成水凝膠；步驟3、將水凝膠置于反應釜中進行水熱反應，得到初級碳化產物；步驟4、清洗初級碳化產物并采用兩級溶劑置換；步驟5、將初級碳化產物做進一步熱處理，利用掃描電子顯微鏡表征其微觀結構，并由氮氣吸附測定樣品孔隙性質。本發明利用低成本原料一步生成碳氣凝膠結構；利用兩級溶劑置換實現碳氣凝膠結構常壓干燥。

技術領域

本發明涉及新材料技術領域，尤其涉及一種由水凝膠前體材料通過水熱過程制備碳氣凝膠的方法。

背景技術

1932年Kistler首次提出氣凝膠的概念，指代凝膠中的液體被氣體取代后沒有坍塌的固體結構。二氧化硅結構為研究最多的氣凝膠，相對比較成熟，2003年Aspen Aerogels和Cabot Aerogels已經開始量產二氧化硅氣凝膠顆粒和成型材料。

碳氣凝膠是一類相對特殊的材料，通常需要一有機高分氣凝膠為前驅體，經過碳化得到。碳氣凝膠常使用的前驅體材料有：間苯二酚甲醛氣凝膠(RF)，三聚氰胺甲醛氣凝膠(MF)，酚醛氣凝膠(PF)，聚丙烯腈和聚亞胺酯體系。碳氣凝膠的應用包括：儲能材料(超級電容電極，鋰電池電極)，氣體存儲與吸附(氫和天然氣)，催化材料，隔熱材料和電磁等隔離材料。

雖然碳氣凝膠有諸多優異性能，但目前還沒有具有實用價值的生產制備方法，主要存在兩個制約因素：1)制備過程步驟多，前驅體成本高，碳化過程結構控制困難，整體得率偏低，這使得制備合格的碳氣凝膠的成本偏高而沒有應用價值；2)有機前驅體制備過程中采用的干燥技術，目前有機前驅體的干燥主要采用超臨界干燥，由于需要高壓等極限操作條件，其成本偏高。

發明內容

鑒于上述的分析，本發明實施例旨在提供一種由水凝膠前體材料通過水熱過程制備碳氣凝膠的方法，用以解決現有碳氣凝膠制備方法存在以下問題：1)制備過程步驟多，前驅體成本高，碳化過程結構控制困難，整體得率偏低，這使得制備合格的碳氣凝膠的成本偏高而沒有應用價值；2)現有的有機前驅體的干燥主要采用超臨界干燥，由于需要高壓等極限操作條件，其成本偏高。

本發明的目的主要是通過以下技術方案實現的：

本發明提供了一種由水凝膠前體材料通過水熱過程制備碳氣凝膠的方法，包括以下步驟：

步驟1、利用質量濃度為10％的稀鹽酸將殼聚糖進行酸化，將得到的鹽酸酸化殼聚糖和水溶性碳水化合物均溶于去離子水中，形成混合溶液；

步驟2、向混合溶液中加入聚山梨酯類非離子表面活性劑和液體石蠟，形成微乳化體系；然后加入重量為微乳化體系重量的0.1～1.5％的交聯劑戊二醛，攪拌均勻后靜置直至完全形成水凝膠；

步驟3、將水凝膠靜置于水熱反應釜中進行水熱反應，水熱反應溫度為160～220℃，反應時間為3.0～6.0h，反應完成后自然冷卻至室溫，得到初級碳化產物；

步驟4、利用去離子水清洗該初級碳化產物至中性，將中性初級碳化產物的含水量控制在為50～70％范圍內；控水后采用兩級溶劑置換，置換完后在室溫下采用真空干燥以輔助殘留溶劑揮發至初級碳化產物重量保持不變；

步驟5、將干燥后的初級碳化產物做進一步熱處理.

進一步地,步驟5獲得的樣品利用掃描電子顯微鏡表征其微觀結構，并由氮氣吸附測定樣品的孔隙性質。

進一步地，在步驟4中，兩級溶劑置換包括第一級溶劑置換和第二級溶劑置換；

在第一級溶劑置換中，第一級置換溶劑為乙醇-正丁醇體系，乙醇與正丁醇的體積比為4:1～1:1，第一級置換溶劑的用量為中性的初級碳化產物重量的1～8倍。