[发明专利]一种酸碱协同催化碳纤维掺杂碳气凝胶及其制备方法

说明书

本发明涉及一种酸碱协同催化碳纤维掺杂碳气凝胶，其具备如下参数：比表面积600‑1100m²/g，孔径分布2.0～10.0nm，孔容0.40～1.00cm³/g，比电容90～260F/g。本发明还涉及上述碳气凝胶的制备方法：（1）有机湿凝胶制备；（2）溶剂置换；（3）常压干燥；（4）高温炭化。本发明的产品具有比表面积高、电阻率低、孔径大小可控、易成型的优点，该制备方法的制备周期短、成本较低、安全环保。

技术领域

本发明涉及一种酸碱协同催化碳纤维掺杂碳气凝胶及其制备方法。

背景技术

碳气凝胶作为一种具有丰富的孔洞、连续的网络结构、高比表面积和良好导电性能的新兴纳米非晶碳素材料，是近年来新型碳材料研究的热点之一，最早于1994年由美国LawrenceLivemore国家实验室研制开发，由间苯二酚—甲醛聚合物凝胶裂解而制。自此，国内外学者对其制备和应用进行了大量研究。

碳气凝胶常见的制备方法是：以间苯二酚和甲醛为原料在碱性催化剂的作用下形成凝胶，然后以二氧化碳为介质进行超临界干燥制得有机气凝胶，再将有机气凝胶在惰性气体保护下高温热解即得碳气凝胶。制备碳气凝的原料除了间苯二酚和甲醛以外，还有三聚氰胺和甲醛，酚醛树脂和糠醛，线性高分子N-羟甲基丙烯酰胺与间苯二酚，混甲酚一甲醛，间甲酚-甲醛，2,4-二羟基苯甲酸-甲醛等。JI Yajun等用氢氧化镁代替碳酸钠作为制备碳气凝胶的催化剂，得到比表面积为700 m²•g^-1，比电容为123 F•g^-1的碳气凝胶样品。Sung-Woo Hwang等将碳气凝胶经CO₂活化以增加其微孔，得到了比电容高达220 F•g^-1的样品。计亚军等在碳气凝胶中加入硝酸铁或硝酸镍，得到的碳气凝胶形貌结构发生了明显的改变，比电容也得到了显著的提升，高达227.3 F•g^-1。Miller等采用气相化学渗透法制备了铷-碳气凝胶复合电极，透射电镜中可以看到纳米铷颗粒均匀的分散在碳气凝胶的表面，在1 MH₂SO₄电解液中测试比电容能达到250 F•g^-1远高于未添加铷的95 F•g^-1，其体积比电容能达到140 F•cm^-3。

传统方法制备的碳气凝胶由于其强度低、脆性大、炭化过程中体积收缩大等缺点，难以制备出大尺寸成型的碳气凝胶成品。因而近年来报道的在前驱体溶液中掺入增强体成为增强碳气凝胶硬度，完善碳气凝胶成型工艺的新方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种比表面积高、电阻率低、孔径大小可控、易成型的酸碱协同催化碳纤维掺杂碳气凝胶及其制备方法，该制备方法具备制备周期短、成本较低、安全环保的优点。

本发明采用如下技术方案：

一种酸碱协同催化碳纤维掺杂碳气凝胶，其具备如下参数：比表面积600-1100m²/g，孔径分布2.0～10.0nm，孔容0.40～1.00cm³/g，比电容90～260F/g。

进一步的，其通过如下步骤制备：

（1）有机湿凝胶制备：多羟基苯酚与甲醛按照物质的量之比为1:2混合，加入去离子水配制成质量分数为35～40%的反应液，再加碳纤维和羟乙基纤维素钠，再加入抗坏血酸和碳酸钠，将反应液混合均匀后密封，保温40～50℃充分反应1～2天，制得湿凝胶。

所述碳纤维与多羟基苯酚的质量比为1:100～300；所述羟乙基纤维素钠与多羟基苯酚的质量比为1:6～50；所述抗坏血酸与多羟基苯酚的摩尔比为1:5～20；所述碳酸钠与多羟基苯酚的摩尔比为1:400～600。

（2）溶剂置换：将步骤（1）制备的湿凝胶浸泡于有机溶剂中进行溶剂置换，每隔24小时更换一次有机溶剂，期间更换3～5次；