[发明专利]基于SiO2气凝胶为模板的碳化硅气凝胶制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用二氧化硅气凝胶为模板制备碳化硅气凝胶，是一种孔隙高的纳米孔材料，其既具有碳化硅材料的特性，又具有气凝胶材料的特性；碳化硅气凝胶具有低密度、高孔隙率、高强度、抗腐蚀、耐高温等性能特点，广泛应用于高温气体净化器、柴油机尾气处理器、传感器、热交换器和催化剂载体等各个领域。 

背景技术

碳化硅材料具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀、高温化学稳定、热导性能优异、热膨胀系数低、强度和比刚度好等特点，被用作功能器件和结构材料；许多研究表明将碳化硅制备成为多孔材料，即保持多孔材料的特性，同时又具有碳化硅材料的特性；目前大多数多孔碳化硅材料由于比表面太小，不能满足化学反应中的传质要求，很大程度上限制了它的应用。为了克服比表面太小的缺陷，大幅度提高其比表面积。目前制备高比表面碳化硅主要有以下几种方法：一是“形状记忆法”，是先高温加热硅和二氧化硅的混合物产生二氧化硅蒸气，此蒸气与经预处理的活性炭前驱体在高温下气固两相反应合成碳化硅（β-SiC）；二是以中孔氧化硅材料为基体，通过热裂解丙烯产生碳沉积到基体上，最后将复合物进行高温处理，合成碳化硅多孔材料；三是将活性碳粉末与硅粉末预先和聚呋喃树脂混合、成型、再干燥，最后在滚筒式反应器内加热到1300℃反应，可得到比表面积20-40m²g^-1的碳化硅粉末；四是碳包覆二氧化硅粉末或者将有机物如酚醛树脂包覆二氧化硅粉末，在一定的温度下热裂解，然后在高温下碳热还原；还有一种方法是将先制备满足特定要求的多孔碳，然后用硅熔浸入到多孔碳中制备为多孔碳化硅。以上方法所得到的多孔碳化硅材料的孔径难以控制，不能完全达到纳米孔的范围，比表面积低，没有充分体现碳化硅材料的多孔、纳米级孔径和高孔隙特点。二氧化硅气凝胶是一种结构可控的新型纳米多孔材料，其孔隙率高达80％-99％，比表面积高达800-1000m²g^-1，典型孔洞尺寸为1-50nm，固态网络结构单元尺寸为2～20nm。主要的方法是用溶胶-凝胶法水解的金属化合物（无机盐或金属醇盐），经过水解与缩聚过程逐渐凝胶化，再经干燥或烧结等后处理得到所需的多孔材料，涉及的基本反应有水解反应和聚合反应。但是，碳化硅不能用该方法制备成多孔气凝胶，因此可以用二氧化硅气凝胶作为碳化硅气凝胶的模板来制备碳化硅气凝胶。如文献介绍了用聚丙烯腈交联强化的碳化硅气凝胶制备。（Nicholas Leventis , Anand Sadekar, Naveen Chandrasekaran, and Chariklia Sotiriou-Leventis, Click Synthesis of Monolithic Silicon Carbide Aerogels from Polyacrylonitrile-Coated 3D Silica Networks, Chem. Mater. 2010, 22, 2790–2803）但是，该方法存在问题是原料难以获得，成本高，难以大规模生产。 

用二氧化硅气凝胶为模板，保持了原二氧化硅气凝胶的结构特征，并在此结构基础上制备碳化硅气凝胶，如先制备二氧化硅气凝胶，后在其孔中加入含硅、硅碳化合物、含碳材料或化合物，通过碳热还原的方法制备碳化硅材料；也可以在制备二氧化硅溶胶时加入碳材料、硅或硅碳化合物，再制备成二氧化硅气凝胶复合材料，通过碳热还原制备碳化硅。碳化硅气凝胶孔中的残留碳可以用硝酸和硫酸混合液除去，多余的二氧化硅可用氢氧化钠除去，用氢氟酸除去多余的硅。 

发明内容

本发明的目的是以二氧化硅气凝胶为模板制备碳化硅气凝胶，达到比表面积大，孔径为纳米级、高孔隙的多孔碳化硅材料。 

本发明通过以下技术方法来实现： 

（1）二氧化硅溶胶制备：将正硅酸乙酯（TEOS）、无水乙醇、蒸馏水以1:4:4的摩尔配比进行计算，则正硅酸乙酯、无水乙醇、蒸馏水的质量分别为208克、184克、72克,硝酸4毫升（质量百分比浓度为63%），30-70℃条件下水浴1-10小时；

（2）二氧化硅气凝胶制备：采用碱性条件凝胶，用2%浓度氨水，用量为3.1克，其中正硅酸乙酯（TEOS）、无水乙醇、蒸馏水、氨水摩尔比为1:4:4:3.6×10-3，在加入氨水时，搅拌硅溶胶，然后放置等待凝胶；将所得的凝胶老化三天，用乙醇交换凝胶中的水三次，每次间隔12小时，后超临界二氧化碳干燥；