專利名稱：一種有機(jī)氣凝膠及炭氣凝膠的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多孔材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種窄孔徑分布的有機(jī)氣凝膠和炭氣凝膠的制備方法，并且可以實現(xiàn)其凝膠孔徑的有效調(diào)控。
背景技術(shù)：
氣凝膠材料是納米多孔材料，擁有極高的孔隙率和高的比表面積。有機(jī)氣凝膠和炭氣凝膠炭氣凝膠自從 1988 年(Pekala R ff, Stone R E. Polymer preprint, 1988, 29 204-206)問世以來，一直是多孔炭材料研究的熱點之一。炭氣凝膠具有開放的孔結(jié)構(gòu)，連續(xù)可調(diào)的高孔隙率(可高達(dá)98%以上)，典型的中孔結(jié)構(gòu)，良好的導(dǎo)電性。這些特點使得炭氣凝膠具有很多獨特的用途，可用于超級隔熱、電池及超級電容器電極材料、吸附材料、催化劑及載體等。氣凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域和性能很大程度上取決于氣凝膠的孔結(jié)構(gòu)，有機(jī)氣凝膠 和炭氣凝膠目前的孔結(jié)構(gòu)控制主要是采用催化劑種類和用量來控制(Toshihide Horikawaetal.，Carbon, 2004,42 1625-1633),也可通過表面活性劑控制(Toshihide Horikawaetal.，Carbon 2004,42 :2683-2689)，但是很多情況下所得的有機(jī)氣凝膠和炭氣凝膠的孔徑分布都是分散分布的，具有窄孔徑分布的氣凝膠可以擁有更好的應(yīng)用性能。美國專利 US4873218、US4997804 和文獻(xiàn)(Pekala Rff, Schaefer Dff, Macromolecules 1993,26 5487-5493)公開了一種用間苯二酚和甲醛為原料制備有機(jī)氣凝膠和炭氣凝膠的方法，通過調(diào)節(jié)催化劑的用量可以調(diào)控氣凝膠的平均孔徑大小。中國專利ZL01126016. 5公開了一種利用酚醛樹脂、三聚氰胺和甲醛在水溶液中利用堿性催化劑催化制備窄孔徑分布的有機(jī)氣凝膠和炭氣凝膠的方法。本發(fā)明提供了一種更為簡單的制備窄孔徑分布的有機(jī)氣凝膠及炭氣凝膠的方法，并且可以方便地調(diào)控氣凝膠的孔徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明以酚和醛為原料，在催化劑作用下，通過溶膠-凝膠聚合，凝膠干燥，得到有機(jī)氣凝膠，通過有機(jī)氣凝膠的惰性氣氛下的碳化得到炭氣凝膠，通過調(diào)節(jié)溶劑組成，得到窄孔徑分布的氣凝膠，并通過調(diào)節(jié)溶劑組成調(diào)控氣凝膠的孔結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的實現(xiàn)包括以下步驟(I)將酚、醛和催化劑按照酚和醛的摩爾比I : 2，酚和催化劑的摩爾比25-500 1，溶于溶劑中，溶劑為丙酮和水的混合溶劑，丙酮在溶劑中的濃度為0-95%，攪拌均勻，通過酸或者堿將溶液的pH值調(diào)節(jié)至小于2或者大于5，使溶液的反應(yīng)物總濃度為5% _70%，在室溫-80°C下反應(yīng)4-240小時形成濕凝膠并完成老化。然后進(jìn)行干燥，得到有機(jī)氣凝膠。(2)將有機(jī)氣凝膠置于碳化爐中，在惰性氣體保護(hù)下，以O(shè). I-IO0C /min的升溫速度升至500-1800°C，在終溫停留0-5h，然后自然降溫至室溫，得到炭氣凝膠。如上所述的酚為下述中的一種或幾種苯酚、甲基苯酚、二甲基苯酚、間苯二酚、和混合酚。醛選自下述中的一種或幾種甲醛、多聚甲醛和糠醛。如上所述的干燥過程可以是自然干燥，也可以通過將濕凝膠置于高壓釜中，將其在超過丙酮和水的混合溶劑臨界溫度10-100°c，超過臨界壓力O. I-IOMPa的條件下進(jìn)行超臨界干燥，也可以通過溶劑置換將凝膠孔內(nèi)的溶劑置換為和二氧化碳相溶的溶劑，然后以二氧化碳為干燥介質(zhì)，在31-150°C，7. 5-20MPa下進(jìn)行超臨界干燥。具體實施例如下實施例I(I)將間苯二酚、甲醛和甲醇鈉溶于丙酮和水的混合溶劑中，間苯二酚和甲醛的摩 爾比為O. 5，間苯二酚和甲醇鈉的摩爾比為200，丙酮和水的混合溶劑中丙酮含量為20%，溶液固含量為30%。在70°C下反應(yīng)7天得到凝膠。(2)用丙酮置換凝膠中的水。。(3)將置換后的凝膠置于高壓釜中，以二氧化碳為干燥介質(zhì)，于50°C，IOMPa下進(jìn)行超臨界干燥，得到最可幾孔徑13nm的有機(jī)氣凝膠。(4)將有機(jī)氣凝膠于氬氣氣氛下，以3°C /min的升溫速度升至800°C，并在800°C保溫I小時，然后自然降溫至室溫，得到最可幾孔徑13nm的炭氣凝膠。實施例2丙酮和水的混合溶劑中丙酮含量為30%，其他條件同實施例1，得到最可幾孔徑6. Inm的有機(jī)氣凝膠和最可幾孔徑11. 3的炭氣凝膠。實施例3丙酮和水的混合溶劑中丙酮含量為40%，其他條件同實施例I，得到最可幾孔徑
3.5nm的有機(jī)氣凝膠和最可幾孔徑4nm的炭氣凝膠。實施例4丙酮和水的混合溶劑中丙酮含量為80%，其他條件同實施例1，得到最可幾孔徑O. 6nm的有機(jī)氣凝膠和最可幾孔徑O. Snm的炭氣凝膠。
權(quán)利要求
1.一種窄孔徑分布、結(jié)構(gòu)可控的有機(jī)氣凝膠及炭氣凝膠制備方法，其由下述步驟組成 a、將酚、醛和催化劑溶于溶劑中，攪拌均勻； b、步驟a所得的溶液，進(jìn)行凝膠化和老化； C、將步驟b得到的凝膠進(jìn)行干燥，得到有機(jī)氣凝膠； d、將有機(jī)氣凝膠進(jìn)行炭化，得到炭氣凝膠。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中，酚為下述中的一種或幾種苯酚、甲基苯酚、二甲基苯酚、間苯二酚、和混合酚。醛選自下述中的一種或幾種甲醛、多聚甲醛和糠醛。催化劑為能夠和溶液相溶的酸或者堿。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中，酚/醛的摩爾比為1/2，催化劑用量按照溶液的pH值調(diào)整，使得溶液的PH值小于2或者大于5。
4.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中，溶劑為丙酮和水的混合溶劑，丙酮含量為0-95%。
5.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中，反應(yīng)物溶液中的質(zhì)量濃度為5-70%。
6.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中，凝膠干燥方法為自然干燥、冷凍干燥或超臨界干燥。
7.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中，碳化是在惰性氣體保護(hù)下，以O(shè).I-IO0C /min的升溫速度升至500-1800°C，在終溫停留0-5h，然后自然降溫至室溫。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種多孔納米材料炭氣凝膠制備及孔結(jié)構(gòu)調(diào)控方法。以催化劑為原料，以丙酮和水的混合物為溶劑，通過催化劑作用下的溶膠-凝膠聚合得到濕凝膠，通過干燥得到有機(jī)氣凝膠，經(jīng)過進(jìn)一步的碳化得到炭氣凝膠，簡單地通過丙酮的加入使得所得有機(jī)氣凝膠和炭氣凝膠孔徑分布變窄，并且可以通過調(diào)整丙酮的用量調(diào)控孔結(jié)構(gòu)。
文檔編號B82Y40/00GK102826534SQ201110159508
公開日2012年12月19日 申請日期2011年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月14日
發(fā)明者秦國彤, 王晶晶 申請人:北京航空航天大學(xué)