[发明专利]一种高密度活化碳气凝胶及其制备方法

说明书

技术领域

本本发明涉及气凝胶粉末制备领域，特别是一种酚醛类高密度活化碳气凝胶及其制备方法。

背景技术

对于超级电容器来说，多孔电极碳的比表面积、孔径分布、表面官能团及导电性能等都对超级电容器的电化学性能有重要影响。超级电容的电极材料通常具有以下几项重要特征参数：高的比表面积、适当的孔径分布、可调的表面官能团、优良的导电性、适当的粒径分布，此外较高的振实密度对于提升超级电容的体积容量也非常重要。与传统的活性炭和碳纤维做电极相比，碳气凝胶可以通过控制合成工艺对以上这些参数进行调控，可以在较高的比表面积下获得最优化的孔径分布，改善与电解质的相容性，实现单位质量的最大电容量；碳气凝胶有着很高且稳定的电导率以及多级分布的孔径，可以解决内部接触电阻大、电解液不能进入的微孔比例高、比表面积利用不充分等问题。

碳气凝胶粉末的制备方法有块状气凝胶粉碎法与直接合成法。前者是先合成气凝胶块体材料再利用球磨或其它机械方法粉碎，获得粉状气凝胶，这种方法在工业上很普遍，所获得的气凝胶粉末外形不规则，粒径主要由粉碎过程控制。如Bauer，Ulrich等人国际公开号为WO2008/115812A2的专利“气凝胶微粒及其制备方法”；M.弗力可等人中国专利申请公开号CN103403074A的“制备粉末状多孔材料的方法”等等即是采用先获得块状气凝胶在采用机械粉碎成份的方法；后者是先将气凝胶反应前躯体溶液在均相反应或分散至反相液体中反应形成粉末状的气凝胶，这种方法形成的气凝胶粉末外形较规则多位球形或椭球形，粒径主要由反应过程控制。如专利文献CN1895770A公开了“一种碳气凝胶粉末的制备方法”，其特点是将含有一定浓度和催化剂比例的间苯二酚－甲醛溶液在超声波作用和低温下均匀分散于不溶油相中，在加热和超声波下进行凝胶聚合反应，经过分离、清洗得到亚微米级或纳米级的有机气凝胶粉末，再经过碳化获得纳米级或亚微米级的碳气凝胶粉末。如吴丁财等人中国专利申请公开号CN103449406A“一种粉末状炭气凝胶及其制备方法和应用”中首先在溶液中反应获得聚苯乙烯-二乙烯基苯纳米球，再碳化活化获得炭气凝胶粉末。XingyuanWang等人在J.SolidStateElectrochem杂志的文章《preparationandperformancesofcarbonaerogelmicrospherefortheapplicationofsupercapacitor》中利用环己烷获得初始RF浓度小于0.4g/cm³振实密度小于0.3g/cm³的碳气凝胶微球。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种高密度活化碳气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、取间苯二酚、甲醛和碳酸钠加入蒸馏水中搅拌15～30min，配制成密度为0.6～0.9g/cm³的反应溶液，并将反应溶液置于冰水溶液中；所述间苯二酚与甲醛的摩尔比为1：1.5～2.5；所述间苯二酚与碳酸钠的摩尔比为1:100～1000；

步骤二、在常温下，以300～500r/min的速度搅拌白油，搅拌的同时将反应溶液滴加到白油中，然后在1000～2000r/min的速度下搅拌30～50min，将搅拌后的物料放入高压脉冲处理室中利用高压脉冲电场预处理60～90min，然后在60～80℃下，以50～100r/min的速度搅拌5～8h，得到黄色悬浊液；所述加入的反应溶液与白油的体积比为1:5～10；

步骤三、将黄色悬浊液抽滤或离心，得到黄色泥状物，用乙醇反复清洗黄色泥状物，然后离心分离得到粉体，将粉体自然干燥或在60～80℃下干燥；

步骤四、将干燥的粉体加入碳化釜中，在150℃下抽真空后充惰性气体保护，以5～10℃/min的速度升温至400～600℃，保温20～50min，继续以5～10℃/min的速度升温至600～800℃，保温2～3h，继续以5～10℃/min的速度升温至800～1000℃，保温1～3h，获得碳气凝胶粉末；

步骤五、将碳气凝胶粉末加入旋转炉中，以60～150mL/min的流量通入CO₂，同时以5～10℃/min的速度升温至400～600℃，保温1～3h，继续以5～10℃/min的速度升温至600～800℃，保温2～3h，继续以5～10℃/min的速度升温至800～950℃，保温2～3h，得到高密度活化碳气凝胶；所述旋转炉的旋转速度为3～10r/min。