[发明专利]一种简单且超快制备碳气凝胶的方法

说明书

本发明公开了一种简单且超快制备碳气凝胶的方法，先将类石墨微晶炭纳米材料、酚、甲醛、催化剂和去离子水混合成均匀悬浮液，密封静置实现凝胶化；然后将凝胶在烘箱进行老化处理，在管式炉中进行干燥，炭化得到碳气凝胶。本方法加入类石墨微晶炭纳米材料，不仅可以实现酚醛溶液在常温下的快速凝胶化，而且同时可以实现酚醛凝胶在常压下的快速加热干燥，最终将碳气凝胶的整个制备过程所需时间从以往的1～2个星期急剧减少至1天之内。同时，该技术所制备的碳气凝胶块体没有任何裂缝，且具有高的比表面积和发达孔隙结构、优异的机械性能和导电性能，是一种快速且简单的碳气凝胶制备方法。

技术领域

本发明涉及炭材料技术领域，具体涉及一种简单且超快制备碳气凝胶的方法。

背景技术

碳气凝胶是一种具有三维网络结构的新型多孔质碳材料，它是由有机气凝胶经过炭化得到。在20世纪90年代初发明炭凝胶以来，随着研究的不断深入，人们逐渐认识到炭凝胶具有吸附、催化、导电、隔热等优异性能，在化工、能源、电子等许多领域显示出广阔的应用潜力。然而，尽管炭凝胶已有几十年的研究历史，但由于制备工艺繁琐、时间长、成本高，因此，目前还没有真正实现碳气凝胶的工业化生产。较为成熟的碳气凝胶制备方法是采用间苯二酚和甲醛为原料，在少量碳酸钠等碱催化剂条件下，在水溶液中通过间苯二酚与甲醛之间的缩合与聚合反应，依次形成酚醛溶胶与水凝胶；然后将水凝胶进行老化、干燥和炭化，制得炭凝胶。目前炭凝胶工业化生产的主要挑战来源于以下2个方面：(1)间苯二酚与甲醛溶液的溶胶、凝胶以及溶胶老化过程需要在60～90℃温度范围中连续进行3～4天时间；(2)干燥方式和时间繁琐且成本高。这是由于有机水凝胶中含有大量的极性溶剂水分，在炭化之前，如果不能去除，将由于升温过程中水分快速蒸发在有机凝胶表面与空气之间形成表面张力很大的界面，产生非常大的收缩压力，导致碳气凝胶破裂甚至塌陷，无法制备得到块状或具有一定成型形状的碳气凝胶，同时由于孔隙大量塌陷或收缩，无法得到孔隙结构发达的碳气凝胶。通常情况下，需要采用超临界二氧化碳萃取的方式除去有机水凝胶中含有的大量水分。其具体操作过程是：为了降低在超临界二氧化碳萃取过程中在有机凝胶中产生的巨大表面张力，首先需要采用丙酮等在水中有较大溶解能力的有机溶剂分级多次萃取其中的水分，然后将含有大量丙酮等有机挥发性溶剂的凝胶在超临界二氧化流体下进行萃取，从而实现除去水分、同时得到具有较强机械强度、成型体保持良好、无裂缝的块状有机气凝胶的目的。在有机溶剂萃取溶胶的大量水分过程中，需要采用丙酮和水的混合液，逐步提高丙酮的浓度，进行分步萃取，从而能够保障凝胶的良好形貌和机械强度，因此，该过程不仅需要使用大量的有机挥发性溶剂，且非常繁琐需要花费长达3～4天时间。超临界萃取过程是在几十MPa的压力下进行的，对于设备条件要求也高，难以大规模化制备。因此，通常情况下，碳气凝胶不仅制备过程非常繁琐，而且一个制备周期需要长达10天以上，导致价格昂贵，难以实现工业化。

针对上述问题，已开展了(1)如何缩小碳气凝胶的制备时间、(2)如何使用更加简单有效的干燥方法等方面的大量研究工作。在缩短制备时间方法，主要是缩短溶胶-凝胶的制备过程，使用相对较高浓度的碱性(如碳酸钠)催化剂，最短的凝胶时间可以减少至1天左右。在干燥方法的研究中，也有直接采用冷冻干燥方法，但由于水凝胶含有大量的水分，冷冻干燥是一个高能耗、耗时长(需要几天)的过程。目前采用的最为简单干燥方法是在常温常压下的慢速干燥，已有研究通过控制水凝胶的内部连接结构，实现了水凝胶在常温常压下的慢速干燥；该干燥方法很方便但需要几天时间，且对水凝胶内部结构有较特殊的要求，否则很容易产生凝胶的破裂。尽管对于快速制备与简单廉价的干燥方法都开展了较多研究，但这些研究都没有同时解决这两个方面的难题，即实现了快速制备溶胶与凝胶，但难以采用简单的常温常压干燥方法；或者实现了简单的常温常压干燥，但没有实现快速的溶胶-凝胶制备过程。其原因是目前研究的快速凝胶方法制备的水凝胶与常温常压干燥方法所需要的水凝胶结构难以协调一致。这些方法和技术还难以解决碳气凝胶制备过程的技术难题。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本申请所要解决的问题是提供一种简单且超快制备碳气凝胶的方法。

为了解决上述技术问题，本申请采用的技术方案为：