[发明专利]一种聚酰亚胺基复合碳气凝胶及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳气凝胶技术领域，具体涉及一种聚酰亚胺基复合碳气凝胶及其制备方法。

背景技术

碳气凝胶因其具有孔隙率高、质轻、比表面积大、孔洞结构易于调节及稳定性好、导电率高等优点，广泛用作催化剂载体、储氢材料、吸附材料及各种电极材料等，被认为是未来十大最具潜力的新材料之一，因而成为研究热点。

按基体来源来分，碳气凝胶一般分为石墨烯、碳纳米管基碳气凝胶，生物质基碳气凝胶及有机物基碳气凝胶。目前，有机物基碳气凝胶一般由间苯二酚-甲醛气凝胶高温碳化制备得到。众所周知，制备有机基碳气凝胶最初始的原料之一甲醛是一种有毒气体，对人和生物的健康有巨大的危害，因此该碳气凝胶的制备方法不符合绿色化学的要求。本发明旨在选用一些环境友好的原料，通过简单工艺设计，制备得到一种新型的孔径大小均一、孔洞分布均匀的高孔隙率、高比表面积的复合碳气凝胶。

聚酰亚胺是一种具有成型加工性能好、机械强度高、热稳定性好等优点的特种工程塑料，广泛应用于国民经济的各个领域。自第一个聚酰亚胺气凝胶通过缩合聚合及热亚酰胺化制备出来后，聚酰亚胺气凝胶广泛应用于保温隔热材料、隔音材料、催化剂载体及介电材料。本专利则通过简单工艺设计，制备得到一种新型的孔径大小均一、孔洞分布均匀的高孔隙率、高比表面积的氢氧化钾活化的聚酰亚胺基复合碳气凝胶。

石墨烯是一种典型的二维纳米碳材料，由碳原子以sp²杂化排列、紧密堆积而成的蜂窝晶格结构，因其具有密度小、比表面积大、载流子迁移速率大及电导率高等优点而成为化学、物理、材料等学科领域的研究热点。碳纳米管则是一种典型的一维中空无缝管状结构的纳米碳材料，因其具有优异的力学、电学、热学等物理性能而备受学术界及工业界的关注。氧化石墨烯、碳纳米管尤其是酸化过的碳纳米管表面具有大量的羧基、羟基及环氧等含氧基团，经超声处理很容易实现其均匀分散。此外，这些含氧基团作为反应的活性位点，可参与很多化学反应。故本发明利用氧化石墨烯或碳纳米管或二者的杂化体上的含氧基团，将氧化石墨烯或碳纳米管或二者的杂化体作为聚酰胺酸的交联剂，并以氢氧化钾为活化剂，在热的作用下，一步法使聚酰胺酸交联及亚酰胺化，再通过高温碳化和活化，制备得到具有高比表面积的聚酰亚胺基复合碳气凝胶。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高孔隙率、高比表面积，且孔径大小均一、分布均匀的聚酰亚胺基复合碳气凝胶及其制备方法。

本发明提供的聚酰亚胺基复合碳气凝胶，用一维和/或二维的碳素材料与具有优异性能的聚酰亚胺材料通过溶胶凝胶反应及冷冻干燥和活化处理而制备得到，是一种石墨烯和/或碳纳米管交联的聚酰亚胺基复合碳气凝胶，包含以下材料：氧化石墨烯、碳纳米管、一种或多种水溶性聚酰亚胺前驱体-聚酰胺酸，所述的氧化石墨烯和/或碳纳米管与所述的聚酰胺酸质量比为0.5:100~10:100。

本发明通过一种较为简单且低成本的绿色化学合成方法制备出具有均匀孔洞结构以及高比表面积的聚酰亚胺基复合碳气凝胶，并提出从聚酰胺酸的合成到氧化石墨烯和/或碳纳米管作为一种交联剂交联聚酰胺酸制备得到聚酰亚胺基复合气凝胶，再到聚酰亚胺基复合气凝胶经过高温碳化和活化处理制备聚酰亚胺基复合碳气凝胶的一系列操作与实验要点。

本发明涉及氧化石墨烯的制备、酸化碳纳米管的制备、水溶性聚酰胺酸的合成、溶胶-凝胶法制备氧化石墨烯和/或碳纳米管/聚酰胺酸气凝胶、石墨烯和/或碳纳米管/聚酰亚胺复合气凝胶的制备及高温碳化和活化处理制备具有高比表面积的聚酰亚胺基复合碳气凝胶的制备方法和工艺。

本发明提出的具有高比表面积的聚酰亚胺基复合碳气凝胶的制备方法，具体步骤如下：

（1）将氧化石墨烯分散于去离子水中，超声得到稳定分散的氧化石墨烯水分散液；

（2）将酸化的碳纳米管分散于去离子水中，超声得到稳定分散的碳纳米管水分散液；

（3）将氧化石墨烯与原始碳纳米管，或氧化石墨烯与酸化碳纳米管按照一定的比例分散于去离子水中，超声得到稳定分散的氧化石墨烯/碳纳米管水分散液；

（4）将水溶性聚酰胺酸溶于步骤（1）或步骤（2）或步骤（3）的稳定分散液中，得到氧化石墨烯和/或碳纳米管/聚酰胺酸分散液；

（5）将配置好的氢氧化钾溶液加入到步骤（4）所得到的氧化石墨烯和/或碳纳米管/聚酰胺酸分散液中，迅速搅拌后放置一段时间，通过溶胶-凝胶过程，得到氧化石墨烯和/或碳纳米管/聚酰胺酸凝胶；