碳气凝胶的制备方法

技术领域

本发明涉及材料技术领域，具体地，涉及碳气凝胶的制备方法。

背景技术

碳气凝胶是由高聚物分子相互聚集形成纳米多孔网络结构，并在空隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料。

碳气凝胶由于高孔隙率，极低的热导率，高比表面积等优异性质被广泛应用于隔热隔声材料、催化剂载体、过滤装置等领域。

碳气凝胶最早是由美国的R.W.Pekala以间苯二酚和甲醛为原料，得到了间苯二酚-甲醛(RF)气凝胶，标志着有机气凝胶的问世。

目前，溶胶-凝胶法是合成碳气凝胶最常用的方法之一，主要在一定温度下(60-150℃)，持续加热若干天，使得原料发生溶胶-凝胶反应，从而形成三位网状结构。是生产成本过高，常规溶胶-凝胶是一个高能耗，低效率的过程，生产成本过高，制约了碳气凝胶的产业化。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种碳气凝胶的制备方法，从而提高碳气凝胶的生产效率，为碳气凝胶的产业化提供便利。

根据本发明的一方面，提供一种碳气凝胶的制备方法，包括：

电解原料混合液，获得碳气凝胶前体；

通过有机溶剂置换所述碳气凝胶前体，并干燥获得碳干凝胶；

热解所述碳干凝胶，并将热解获得的炭化料洗涤至中性，获得碳气凝胶，其中，

所述原料混合液中包括间苯二酚和甲醛。

可选地，所述电解原料混合液的步骤还包括：

使用电解池电解所述原料混合液，所述电解池的电极为惰性电极。

可选地，所述惰性电极为铂、金或石墨材料。

可选地，所述电解原料混合液的步骤中，反应条件为常温常压，电解电流的强度为1～50毫安。

可选地，所述电解原料混合液的步骤中，电解电流的强度为20～30毫安。

可选地，在所述电解原料混合液的步骤中，采用恒定电流或者恒定电压下的电流提供所述电解电流。

可选地，在所述电解原料混合液的步骤中，采用稳压恒流源提供所述电解电流。

可选地，所述原料混合液的反应物固含量为10％～60％。

可选地，所述原料混合液的反应物固含量为10％～30％。

可选地，采用去离子水来调节所述原料混合液的反应物固含量。

可选地，所述原料混合液的间苯二酚与甲醛的摩尔比为0.5～1∶4。

可选地，所述原料混合液的间苯二酚与甲醛的摩尔比为0.5～1∶2。

可选地，所述干燥获得碳干凝胶的步骤中，干燥条件为常压干燥。

可选地，所述有机溶剂为无水醇类溶剂或无水酮类溶剂。

可选地，所述热解所述碳干凝胶的步骤中，热解环境为惰性气体环境。

可选地，所述惰性气体包括氮气和氦气中的至少一种。

可选地，所述热解所述碳干凝胶的步骤中的热解温度为700～1000℃。

可选地，所述热解所述碳干凝胶的步骤中的热解温度为800～900℃。

可选地，所述热解所述碳干凝胶的步骤包括：

根据第一升温速率升温至第一温度，并保持第一时间；

在保持第一时间后，根据第二升温速率升温至第二温度，并保持第二时间，其中，

所述第一温度小于第二温度，所述第二温度对应热解温度。

可选地，

所述第一升温速率为1～10℃/分钟，所述第二升温速率为1～10℃/分钟，所述第一温度为300～500℃，所述第二温度为700～1000℃，所述第一时间为0.5～2小时，所述第二时间为0.5～5小时。

可选地，所述电解池为密闭结构，且材料为绝缘材料。

本发明提供的碳气凝胶的制备方法采用电化学方法电解处理包括间苯二酚和甲醛的原料混合液，持续通电一定时间即可保障间苯二酚与甲醛充分发生溶胶-凝胶反应，获得碳气凝胶前体，并将干燥获得的碳干凝胶进行热解即可获得目标碳气凝胶，其溶胶-凝胶反应的反应时间短，缩短了获得碳气凝胶前体的反应时间，提高了生产效率，为碳气凝胶的产业化应用提供了便利。

进一步地，溶胶-凝胶反应的电化学方法的电流小，能耗低，绿色环保，对环境友好。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出了根据本发明实施例的碳气凝胶的制备方法的主要流程图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

图1示出了根据本发明实施例的碳气凝胶的制备方法的主要流程图。

参照图1，本发明实施例的碳气凝胶的制备方法主要包括：

步骤S01：电解原料混合液，获得碳气凝胶前体。

在步骤S01中，包括：将原料混合液置于电解池中，在持续电流作用下进行电解操作，使间苯二酚与甲醛的混合液发生溶胶-凝胶反应，制得碳气凝胶前体。

在本实施例中，间苯二酚与甲醛发生溶胶-凝胶反应的反应条件为常温常压(温度一般为20至30摄氏度，压强一般为0.8至1.2个标准大气压)，持续电流由稳压恒流源提供，电流强度为1至50毫安(进一步地，为20～30mA)。电化学方法的溶胶-凝胶反应在常温常压下即可进行，工作电流小，反应条件易于控制，对设备的要求低，易于实现。

其中，原料混合液包括间苯二酚和甲醛，其混合间苯二酚、甲醛溶液和去离子水，并通过调节去离子水的量调节其混合物的固含量为10％至60％(进一步地，为10％至30％)，然后将混合物充分搅拌均匀后得到该原料混合液。其中，原料混合液的间苯二酚和甲醛的摩尔比为0.5～1∶4(进一步地，为0.5～1∶2)。

在本实施例中，电解池的电极为惰性电极，具体地，为铂、金或碳(例如导电性能良好的石墨)等惰性材料，避免电极材料与原料混合液发生反应。且电解池为密闭结构，进一步降低反应干扰，电解池的材料选择为绝缘材料，避免漏电，保障电解的有效性，绝缘材料例如为玻璃、塑料等材料。

步骤S02：通过有机溶剂置换所述碳气凝胶前体，并干燥获得碳干凝胶。

在本实施例中，有机溶剂为无水醇类溶剂或无水酮类溶剂。

步骤S03：热解所述碳干凝胶，并将热解获得的炭化料洗涤至中性，获得碳气凝胶。

在步骤S03中，包括：将碳干凝胶置于热解反应室中，通过程序升温热解得到碳气凝胶。

其中，热解反应室中充满惰性气体，使碳干凝胶处于惰性气体环境下进行热解，避免活泼性气体环境对热解反应的干扰，保障获得的碳气凝胶的纯度。其中，该惰性气体例如为氮气和氦气中的至少一种。

程序热解包括依次根据第一升温速率升温至第一温度，并保持第一时间；然后根据第二升温速率升温至第二温度，并保持第二时间。分段升温热解可提高材料的孔径结构的保持度，保障获得的碳气凝胶的结构特性。

其中，所述第一升温速率为1～10℃/分钟，所述第二升温速率为1～10℃/分钟，所述第一温度为300～500℃，所述第二温度(热解温度)为700～1000℃(进一步地，为800～900℃)，所述第一时间为0.5～2小时，所述第二时间为0.5～5小时。

之后冷却至室温，冷却后的炭化料再通过去离子水洗涤至中性，去除材料中的灰分等杂质，并烘干后获得目标碳气凝胶，对得到高表面积多孔碳气凝胶样品进行测试，下面结合具体实施例说明本发明的碳气凝胶的制备方法制备的碳气凝胶的性能。其中，本申请的室温为25摄氏度，常压为一个标准大气压，根据实际的实验环境，其具体数值具有少量偏差，在此不作特别限定。

实施例l

在100ml带惰性电极的电解池中，加入60g去离子水，随后称取11g间苯二酚，16g甲醛(对应的甲醛溶液的浓度为37％)，磁力搅拌30min后，电解池中持续通入50mA恒定电流8小时，得到碳气凝胶前体。用无水乙醇浸置8h并洗涤，碳气凝胶前体常压下50℃干燥得到碳干凝胶。将碳干凝胶，放于石英舟(热解反应室)，在氮气氛围下，以5℃/min的升温速率升温至350℃，保持0.5h，继续以5℃/min的升温速率升温至900℃，保持2h，冷却至室温取出。碳化样品经过去离子水洗涤到中性，120℃烘干，即得到高比表面积多孔碳气凝胶。该碳气凝胶样品比表面积为900m

实施例2

在100ml带惰性电极的电解池中，加入70g去离子水，随后称取9g间苯二酚，18g甲醛(对应的甲醛溶液的浓度为37％)，磁力搅拌30min后，电解池中持续通入40mA恒定电流8小时，得到碳气凝胶前体。用无水丙酮浸置8h并洗涤，碳气凝胶前体常压下60℃干燥得到碳干凝胶。将碳干凝胶，放于石英舟，在氮气氛围下，以5℃/min的升温速率升温至350℃，保持0.5h，继续以5℃/min的升温速率升温至950℃，保持5h，冷却至室温取出。碳化样品经过去离子水洗涤到中性，120℃烘干，即得到高比表面积多孔碳气凝胶。该碳气凝胶样品比表面积为960m

实施例3

在100ml带惰性电极的电解池中，加入30g去离子水，随后称取12g间苯二酚，21g甲醛(对应的甲醛溶液的浓度为37％)，磁力搅拌30min后，电解池中持续通入50mA恒定电流6小时，得到碳气凝胶前体。用无水乙醇浸置8h并洗涤，碳气凝胶前体常压下60℃干燥得到碳干凝胶。将碳干凝胶，放于石英舟，在氮气氛围下，以5℃/min的升温速率升温至350℃，保持0.5h，继续以5℃/min的升温速率升温至1000℃，保持5h，冷却至室温取出。碳化样品经过去离子水洗涤到中性，120℃烘干，即得到高比表面积多孔碳气凝胶。该碳气凝胶样品比表面积为1010m

实施例4

在100ml带惰性电极的电解池中，加入90g去离子水，随后称取15g间苯二酚，26g甲醛(对应的甲醛溶液的浓度为37％)，磁力搅拌30min后，电解池中持续通入40mA恒定电流6小时，得到碳气凝胶前体。用无水乙醇浸置8h并洗涤，碳气凝胶前体常压下60℃干燥得到碳干凝胶。将碳干凝胶，放于石英舟，在氮气氛围下，以5℃/min的升温速率升温至350℃，保持0.5h，继续以5℃/min的升温速率升温至900℃，保持5h，冷却至室温取出。碳化样品经过去离子水洗涤到中性，120℃烘干，即得到高比表面积多孔碳气凝胶。该碳气凝胶样品比表面积为910m

本发明的碳气凝胶的制备方法采用电化学方法电解处理间苯二酚和甲醛的混合原料混合液，持续通电一定时间即可保障间苯二酚与甲醛充分发生溶胶-凝胶反应，获得碳气凝胶前体，并将干燥获得的碳干凝胶进行热解即可获得目标碳气凝胶，其溶胶-凝胶反应的反应时间一般为6至8小时，相比于现有技术的若干天，反应速度可提升3至10倍，大大缩短了获得碳气凝胶前体的反应时间，提高了生产效率，为碳气凝胶的产业化应用提供了便利。且溶胶-凝胶反应的电化学方法的电流小，能耗低，绿色环保，对环境友好。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。