[发明专利]一种微波加热水合肼还原碳气凝胶及其制备方法

说明书

本发明涉及一种微波加热水合肼还原碳气凝胶，其具备如下参数：比表面积480～803 m²/g，平均孔径分布5.0～10.0 nm，孔容0.95～1.20 cm³/g，比电容88～225 F/g。本发明还涉及上述碳气凝胶的制备方法。本发明在制得碳气凝胶空白样品后以水合肼为还原剂，微波加热高效还原，制得还原的碳气凝胶，该成品比表面积得到显著提高，电化学性能明显优于未还原的碳气凝胶空白样品。在制备过程中引入水合肼还原剂不但能高效还原碳气凝胶，还能够在还原过程中向碳气凝胶孔结构中引入氮原子从而提高电化学性能；同时采用微波加热法能够起到高效加热的作用，缩短还原时间，提高成品制备效率。

技术领域

本发明涉及一种微波加热水合肼还原碳气凝胶及其制备方法。

背景技术

碳气凝胶作为新型碳材料，具有低密度、高导电性、连续孔状结构、高比表面积等特性，在新能源、环境及资源等领域具有良好的应用前景。在新能源领域，可以作为超级电容器电极材料、锂离子电池阴极材料，储氢材料，电动汽车的关键动力材料。在资源和环境领域，该碳材料可以作为高性能吸附材料，用于海水淡化、去除水中的阴阳离子、重金属离子、辐射性同位素及一些有机废弃物等。该产品是一种极具发展前景、应用广泛的碳材料。

传统制备碳气凝胶的方法是由Pekala课题组在1989年报道的，该方法是以间苯二酚和甲醛作为反应试剂，以去离子水作为反应溶剂，以弱碱碳酸钠作为催化剂，通过间苯二酚和甲醛的缩聚反应来合成酚醛类气凝胶，再通过程序升温烧结、炭化而制得成品（如图1）。间苯二酚/甲醛是最为常见的酚/醛类反应前躯体，近年来随着对碳气凝胶的深入研究与报道，三聚氰胺/甲醛、酚醛树脂/糠醛、线性酚醛树脂/吠喃甲醛等其它前驱体制备碳气凝胶的方法不断被应用。

现阶段对于碳气凝胶的研究现状主要为：（1）反应前驱体的改变，以寻求降低反应成本和加快反应进程；（2）催化剂的改变，以加快反应进程和改善结构性能；（3）反应前体添加剂的加入，以得到更好的电化学性能和更集中的孔径分布。

现阶段制备的碳气凝胶由于制备工艺复杂、制备效率低、制备出的碳气凝胶成品存在低比表面积，低比电容而制约着碳气凝胶工业化、规模化发展。研究和开发新的碳气凝胶制备方法，改善现有的制备工艺路线成为推动碳气凝胶发展的新动力。

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、氮原子掺杂的水合肼微波还原碳气凝胶，同时提供了上述碳气凝胶的制备方法，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：

一种微波加热水合肼还原碳气凝胶，其具备如下参数：比表面积480～803 m²/g，平均孔径分布5.0～10.0 nm，孔容0.95～1.20 cm³/g，比电容88～225 F/g。

一种上述微波加热水合肼还原碳气凝胶的制备方法，其包括如下步骤：

（一）碳气凝胶空白样品的制备；

（二）水合肼还原碳气凝胶制备。

其中，所述步骤（一）包括如下步骤：

（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，在原料中加入抗坏血酸和碳酸钠，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，将反应液混合均匀后密封，保温50～60℃充分反应1～2天，制得湿凝胶；

（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；

（3）常压干燥：在常温常压下，待有机溶剂自然挥发完全后，即制得干燥的有机气凝胶；