[发明专利]一种炭气凝胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及气凝胶技术领域，特别涉及一种金属掺杂炭气凝胶的制备方法。 

背景技术

炭气凝胶是一种新型多孔材料，具有高孔隙率、高比表面积、孔径分布可控以及超低的热导率和低密度等优点,炭气凝胶材料性能优异，目前已被应用于色谱分析、吸附催化、隔热及电化学领域。 

目前制备炭气凝胶主要是通过超临界干燥方法制备得有机气凝胶，经炭化所得得炭气凝胶具有很高的比表面积，吸附性能优异，但是超临界干燥工艺成本很高，制约了炭气凝胶材料的应用发展，（秦仁喜,沈军等,The Chinese Journal of Process Engineering,2004（4）,5:429-433）。 

从工业应用的要求考虑，在炭气凝胶的干燥中采用常压干燥技术取代超临界干燥来制备有机凝胶前驱体，这是简化炭气凝胶的生产工艺和生产设备，降低生产成本，同时减少有机溶剂排放，保护环境，促进炭气凝胶工业化生产的重要方向。炭气凝胶尺寸裁剪与形貌控制是实现其常压干燥制备的方法之一，目前，对炭气凝胶微球的研究主要集中在其制备工艺上（侯海乾,王朝阳,等.材料导报,2009(20):85-87），但是针对炭气凝胶微球合成方法的单一制备很难实现其性能的提升，为了加速炭气材料的应用开发，结合块状炭气凝胶材料结构优化制备方法，对炭气凝胶材料进行金属掺杂与形貌控制，金属的掺杂能够改变炭气凝胶的结构，同时金属颗粒与炭气凝胶之间具有协同作用，使得炭气凝胶作为催化剂、超级电容器的电极材料及作为吸附抗菌等材料具有更加优异的性能。 

目前，金属掺杂炭气凝胶主要包括溶胶凝胶法、离子交换法及浸渍法制备， 所掺杂金属包括，Zr、Mo、Pd、Pt及磁性金属（Moreno-Castilla C,et al.Langmuir,2003,19:5650-5655;Maldonado-Hodar F J,et al.Microporous and Mesoporous Materials,2004,69:119-125）等.采用溶胶凝胶法所制的金属颗粒尺寸较大，炭气凝胶比表面积较低，对其吸附性能有一定影响；通过离子交换法可以提高金属的掺杂量但其掺杂量及金属粒子尺寸的控制很难实现；浸渍法可以很好地控制金属盐在炭气凝胶中的分布及其含量，但是需要首先制备具有良好孔结构的炭气凝胶。 

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种金属掺杂炭气凝胶的制备方法，包括以下步骤： 

步骤一：按照摩尔比1:2:20:0.01称取间苯二酚、甲醛、去离子水和碳酸钠，按照与间苯二酚摩尔比为1:50～1:2称取金属盐，与间苯二酚、甲醛、去离子水和碳酸钠搅拌均匀，得到间苯二酚-甲醛-金属盐溶胶； 

步骤二：将表面活性剂与环己烷按照体积比1:5～1:80在200～1200r/min搅拌下形成均匀的混合溶液，然后按照该混合溶液与间苯二酚-甲醛-金属盐溶胶的体积比为1:1～10:1加入间苯二酚-甲醛-金属盐溶胶，继续搅拌并在20～100℃水浴中反应1～96h，然后将产物分别用丙酮、乙醇和水清洗后，即得有机湿凝胶； 

步骤三：将步骤二中得到的有机湿凝胶干燥处理后，在400～1500℃，惰性气氛中炭化0.5～10h，即得金属掺杂炭气凝胶。 

优选的，所述金属盐选自铁、钴、镍、铜、锌、锰、银、铈的醋酸盐、硫酸盐或硝酸盐中的一种或多种。 

优选的，所述间苯二酚-甲醛-金属盐溶胶的pH值为1～7。 

优选的，所述有机湿凝胶干燥处理选自下述方式中的一种： 

(i)自然晾干：将有机湿凝胶在室温下自然干燥1～7天，即可得到常压干燥金属掺杂有机气凝胶； 

(ii)常压烘干：将有机湿凝胶在40～60℃烘箱中常压烘干1～2天，即可得到常压干燥金属掺杂有机气凝胶； 

(iii)超临界干燥：将有机湿凝胶与乙醇进行溶剂置换，然后在超临界反应釜中，以乙醇为干燥介质，在超临界状态下干燥处理1～5h即可。 

优选的，所述金属掺杂炭气凝胶还可以通过下述方式将金属除去： 

(i)将金属掺杂炭气凝胶与0.1～1mol/L的盐酸、硫酸、磷酸、醋酸中的一种反应1～24h，然后用去离子水清洗至中性即可； 

(ii)将金属掺杂炭气凝胶与双氧水反应1～24h，，然后按照(i)中方法与酸反应除去金属。