[发明专利]一种碳气凝胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳气凝胶的制备方法，属于碳气凝胶制备技术领域。

背景技术

碳气凝胶是一种具有三维纳米网络结构的轻质多孔碳材料， 具有独特的物理、化学性质，是最轻的固体凝聚态材料之一，孔隙率高达80%～98%，在光、电、磁等方面均具有独特性能，在储氢、超级电容器、隔热材料、激光聚变靶材料、催化剂和催化剂载体等方面均有广泛应用。

目前，制备碳气凝胶的方法主要是溶胶-凝胶法和水热法，溶胶-凝胶法制备的碳气凝胶有经典的RF有机碳气凝胶。碳气凝胶的制备一般分为两步：（1）有机气凝胶的制备；（2）有机气凝胶的碳化。由于RF树脂的化学多样性有限，且间苯二酚和甲醛是有害化学物，此方法制备的凝胶有一定的缺陷。

发明内容

本发明目的是提供一种原料易得、价格低廉、制备方法简单、绿色无毒的碳气凝胶的制备方法。

本发明实现过程如下：

一种碳气凝胶的制备方法：在密闭容器中，将水溶性糖类化合物和水溶性高分子溶于水，在140～300℃反应后，经干燥得到碳气凝胶。

上述反应优选的反应温度为160～230℃；干燥过程采用烘干、冷冻干燥或二氧化碳超临界干燥，优选为冷冻干燥或二氧化碳超临界干燥；干燥后的碳气凝胶进一步在惰性气氛下经过300～1600℃煅烧处理可提高其含碳量，并有利于打开闭塞的孔道，比表面积得到增加；向反应体系中加入有机酸或碱后制备的碳气凝胶弹性较好且紧致。

所述的糖类化合物选自单糖、二糖、低聚糖、多糖（包括改性淀粉），具体来说，选自葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖、水苏糖、棉籽糖、异麦芽酮糖、乳酮糖、低聚果糖、低聚木糖、低聚半乳糖、低聚异麦芽糖、低聚异麦芽酮糖、低聚龙胆糖、大豆低聚糖、低聚壳聚糖、环糊精、淀粉、酸改性淀粉、氧化淀粉、白糊精、黄色糊精、淡黄色糊精、三偏磷酸钠交联淀粉、三氯氧磷交联淀粉、乙酸化淀粉、辛基琥珀酸钠盐淀粉、羟丙基化淀粉醚、环氧乙烷交联淀粉、淀粉胶、淀粉乙酸胶、羧基淀粉胶、耐水淀粉胶、纤维素、半纤维素、糖元、木糖、阿拉伯胶、粘多糖。

所述的水溶性高分子选自聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、水解聚丙烯酰胺、丙烯酸和甲基丙烯酸聚合物、聚乳酸、聚马来酸、聚天冬氨酸、聚环氧琥珀酸、甲壳质、聚乙烯醇。

上述糖类化合物和水溶性高分子的质量比为1：6～1：0.005，优选为1：1～1：0.05；糖类化合物与水的质量比为1：60～1：0.5，优选为1：30～1：1。反应体系中加入有机酸或碱。所述的有机酸或碱选自乙酸、甲酸、乙二酸、丙烯酸、苯甲酸、氨水、吡啶、三乙胺、三乙醇胺、单乙醇胺、四甲基氢氧化铵、二异丙基乙基氨、二乙烯三胺、奎宁。

本发明碳凝胶的形成机理如下：糖类化合物是含有多羟基醛、多羟基酮以及能水解而生成多羟基醛或多羟基酮的有机化合物，水溶性高分子含有丰富的羧基、羟基或氨基的高聚物，在酸或碱的催化下，经过高温水热反应可形成交联的网状结构，最终水热炭化得到多孔的碳凝胶材料。

本发明原料易得，制备过程简单，成本低，绿色无毒，制备得到的碳气凝胶纯度高，密度低、孔隙率高；制备本发明碳气凝胶过程中，可添加各种金属盐、高分子材料及单质对碳气凝胶进行改性，可用于吸附过滤、催化、能源、电池和半导体材料等领域。 

附图说明

图1为实施例1、2、7、8、10、12、19、29制备的碳气凝胶图片；

图2为实施例1制备的碳气凝胶的粉末衍射图；

图3为实施例1制备的碳气凝胶BET吸附曲线图；

图4为实施例1煅烧处理后的碳气凝胶的扫描电镜图；

图5为实施例1未煅烧处理制备的碳气凝胶的透射电镜图；

图6为实施例3制备的碳气凝胶BET吸附曲线；

图7为实施例4制备的碳气凝胶的BET吸附曲线；

图8为实施例10制备的碳气凝胶BET吸附曲线。

具体实施方式

实施例1

将10g 葡萄糖和6g聚乙烯吡咯烷酮（K30）溶于60mL 水中，将混合液转移至密闭反应釜中，在200℃下反应5小时，反应结束后得到圆柱状凝胶见图1（a），凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下1000℃煅烧3小时得到碳气凝胶，其粉末衍射图见图2，为无定型碳材料；BET吸附曲线图见图3，其比表面积为521 m²/g；扫描电镜图见图4，透射电镜图见图5，可见获得的碳凝胶为粒径20～30nm的纳米碳交联结构。

实施例2