[發明專利]一種聚酯碳化制備而成的氮摻雜碳泡沫及其制備方法

有效

• 申請號: 202011474096.7
• 申請日: 2020-12-14
• 公開（公告）號: CN112591749B
• 公開（公告）日: 2022-09-20
• 發明（設計）人: 龔江;白慧穎;劉寧;郝亮;牛冉
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: C01B32/354
• 分類號: C01B32/354;C01B32/318;C01B32/312;C01B32/05
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 陳燦;李智

本發明屬于氮摻雜碳泡沫技術領域，更具體地，涉及一種聚酯碳化制備而成的氮摻雜碳泡沫及其制備方法。本發明制備方法包括以下步驟：(1)將聚酯材料、交聯劑和熔融鹽混合均勻獲得聚酯?交聯劑?熔融鹽混合物，所述交聯劑為多氨基化合物；(2)將所述聚酯?交聯劑?熔融鹽混合物加熱至碳化溫度得到碳化產物，將碳化產物酸洗除去熔融鹽，可獲得氮摻雜碳泡沫。本發明交聯劑的引入促進了聚酯的交聯反應，有效地降低碳化溫度，而低熔點熔融鹽催化劑的存在可以消除交聯結構中的部分弱的化學鍵生成二氧化碳和水蒸氣等小分子產物，這些降解產物充當原位發泡劑的效果，從而提高了碳化過程中聚酯的利用率，在廢棄聚酯回收利用方面有較大的應用潛力。

技術領域

本發明屬于氮摻雜碳泡沫技術領域，更具體地，涉及一種聚酯碳化制備而成的氮摻雜碳泡沫及其制備方法。

背景技術

碳泡沫具有低密度、高強度、高比模量、高導熱性、低膨脹系數、摩擦性能好，以及抗沖擊性能好、尺寸穩定等優點。碳泡沫的最高理論溫度為2600℃，是最有發展前途的高溫材料之一。制備碳泡沫的原料一般是聚酯。聚酯作為生活中常見的塑料，大量應用于產品包裝，如飲料瓶等。聚酯中碳元素含量通常較高，回收方便且極其廉價易得。常見的利用聚酯作為碳源制備碳泡沫的方法包括超臨界法和模板法。比如，Michio Inagaki等人以聚氨酯泡沫作為模板材料，聚酰亞胺樹脂作為碳前驅體制備碳泡沫。首先，在200℃下進行亞胺化反應，得到聚氨酯/聚酰亞胺復合泡沫，然后加熱到400℃以上的得到聚酰亞胺泡沫，升溫至800℃以上得到碳泡沫。在1000℃時，碳泡沫被石墨化，在3000℃時熱處理保持石墨特性。這種碳泡沫可以應用于吸附環境周圍的水蒸氣或者作為光催化劑銳鈦礦型二氧化鈦的基質(Michio Inagaki,Jieshan Qiu,Quangui Guo,Carbon foam:Preparation andapplication,Carbon 2015,87,128-152)。該方法的缺點是制備條件苛刻、碳化溫度高、工藝繁瑣。

M.Karthik等人用水熱法制備具有均勻中孔壁的互聯石墨化大孔碳泡沫，他們以聚氨酯泡沫和Pluronic F127分別作為犧牲聚合物和介孔導向模板，以鐵為催化劑，采用催化石墨化法制備了碳泡沫的石墨化結構。研究發現碳泡沫具有高表面積、高開孔率、低密度、良好的機械強度和高導電性，具有很多潛在的應用(M.Karthik,A.Faik,S.Doppiu,V.Roddatis,B.D’Aguanno,A simple approach for fabrication of interconnectedgraphitized macroporous carbon foam with uniform mesopore walls by usinghydrothermal method,Carbon 2015,87,434-443)。該方法的缺點是需要使用高壓反應器、對設備要求高、實驗過程危險。

CN108400023A公開了一種三維氮摻雜碳泡沫復合電極材料及其制備方法,首先將氯化鐵和鹽酸加入去離子水中，并充分混合；接著將三聚氰胺泡沫浸入其中，再加入一定量的苯胺單體，在20-90℃下攪拌10-24h后離洗滌、干燥得到產物；最后將得到的產物在煅燒即得到三維氮摻雜碳泡沫復合電極材料。該制備方法簡單可靠、成本低，但不夠環保，還存在改進空間。

CN111977656A公開了3D多孔類神經元結構的MXene/氮摻雜碳泡沫復合材料及其制備方法，具體公開了1)通過化學液相刻蝕法制備MXene膠體分散液：將氟化鋰溶于鹽酸中得到氟化鋰溶液，攪拌均勻后緩慢加入Ti₃AlC₂，45℃下攪拌24h，然后用去離子水洗滌離心，收集沉淀，將所得沉淀超聲分散于水中，將所得分散液離心取上清液即得到MXene膠體分散液；2)制備MXene/氮摻雜碳泡沫復合材料：將三聚氰胺甲醛樹脂泡沫完全浸漬于步驟1)所得MXene膠體分散液中，然后將浸漬后的三聚氰胺甲醛樹脂泡沫冷凍干燥，再置于管式爐中熱解，隨后自然冷卻至室溫，即得到3D多孔類神經元結構的MXene/氮摻雜碳泡沫復合材料。該技術方案獲得的氮摻雜碳泡沫具有更多的接觸位點，促進電解質的滲透，為離子在電極中的傳輸提供了有效的通道，加速離子的轉移，但方法繁瑣，生產效率不夠高。