[发明专利]一种高比表面积碳气凝胶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高比表面积碳气凝胶及其制备方法，所述碳气凝胶由高温水热法制得溶胶后，依次经凝胶、老化、干燥、高温碳化得到，其比表面积为1100～1600 m²/g。其制备方法包括：以酚类单体和醛类单体为反应底物，甲醇溶液为溶剂，碳酸钠为催化剂，在高温水浴回流下反应一定时间，再加入环六次甲基四胺溶液，搅拌均匀后放入热水中凝胶老化，得到醇凝胶；再通过超临界干燥，得到酚醛树脂气凝胶；最后在惰性气体保护下进行碳化，得到碳气凝胶。本发明既可以提高反应速率，又可以提高碳气凝胶的比表面积，同时以醇类作为溶剂，无需进行溶剂置换，缩短了制备周期，还以超临界干燥的方式抑制了体积的收缩。

技术领域

本发明涉及气凝胶技术领域，尤其涉及一种酚醛树脂基碳气凝胶及其制备方法。

背景技术

碳气凝胶(也称炭气凝胶)是一种新型三维多孔材料，具有密度小、导电性好、孔隙率大、比表面积大(通常为600-1000m²/g)等优点。目前，制备碳气凝胶的主要方法是以间苯二酚、甲醛作为前驱体，通过溶胶-凝胶反应、经溶剂置换、常压干燥得到酚醛气凝胶，再碳化得到碳气凝胶。然而，溶剂置换需要大量表面张力低的液体如乙醇、丙酮等反复置换出湿凝胶中的水，步骤繁琐，用时较长，不适宜大规模工业化生产。

CN109850870A公开了一种快速制备碳气凝胶的方法，以工业酚醛树脂为原料，六次甲基四胺为固化剂，乙二醇和水为溶剂，混合后在一定温度下进行溶胶-凝胶反应，经过常压干燥得到酚醛气凝胶，再在高温下碳化进而得到碳气凝胶。该技术方案以乙二醇为溶剂，不用经过溶剂置换，直接干燥即可得到酚醛气凝胶，在一定程度上缩短了碳气凝胶的制备周期，但是其所用原料—工业酚醛树脂本身交联度高，由此制得的碳气凝胶的比表面积很小，小于800m²/g，无法得到高比表面积的碳气凝胶，且其干燥时采用的是常压干燥，由于毛细作用力的存在会使体积收缩，造成碳气凝胶内部结构坍塌，导致比表面积进一步变小。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明目的在于提供一种高比表面积碳气凝胶及其制备的方法，旨在解决碳气凝胶比表面积小，并且制备周期长，成本高的技术问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种高比表面积碳气凝胶，由高温水热法制得溶胶后，依次经凝胶、老化、干燥、高温碳化得到，其比表面积为1100～1600m²/g。

进一步，本发明还提供一种所述高比表面积碳气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

1)以酚类单体和醛类单体为反应底物，甲醇溶液为溶剂，碳酸钠为催化剂，在加热水浴回流下反应一定时间，再加入环六次甲基四胺溶液，搅拌均匀后放入热水中凝胶老化，得到醇凝胶；

2)将醇凝胶进行超临界干燥，得到酚醛树脂气凝胶；

3)将酚醛树脂气凝胶在惰性气体保护下进行碳化，得到碳气凝胶。其中，环六次甲基四胺溶液为交联剂和催化剂，它会参与反应，加速固化。

进一步，所述酚类单体与醛类单体的摩尔比为1：0.5～5；酚类单体与甲醇的摩尔比为1：5～27；酚类单体与碳酸钠的摩尔比为300～1000：1；甲醇溶液中甲醇的体积分数为60(v/v)％～92(v/v)％。甲醇浓度过低，水含量偏高，干燥后会导致比表面积变小，因此甲醇的体积分数占比较大。

进一步，所述步骤1)中酚类单体与环六次甲基四胺的摩尔比为(1～20)：1。

进一步，所述酚类单体为间苯二酚、对苯二酚和间苯三酚中的一种或几种；所述醛类单体为甲醛溶液、糠醛溶液和固体多聚甲醛中的一种或几种。

进一步，所述步骤1)中水浴温度为75～90℃，反应时间为60～120min。

进一步，所述步骤1)中水浴温度为75～80℃，反应时间为60～90min。