[发明专利]以木质素/苯酚/糠醛为前驱体的碳气凝胶及其制备方法

说明书

本发明提供了一种以木质素/苯酚/糠醛为前驱体的碳气凝胶的制备方法，包括以下步骤：称取酶解木质素、苯酚、氢氧化钠和水混合均匀得到混合溶液，使混合溶液恒温回流，回流停止后，冷却至室温，然后向混合溶液中加入乙醚，并调节混合溶液的pH值，离心分离，干燥，研磨，得到改性后的酚化酶解木质素；称取酚化酶解木质素、氯化锌和苯酚，量取一定体积的糠醛，然后将酚化酶解木质素、氯化锌和苯酚依次加入到糠醛中，得到溶胶，调节溶胶的pH值，搅拌均匀后将溶胶放入反应釜中发生聚合反应，聚合反应结束后冷却，然后干燥，得到有机碳气凝胶前驱体；在N2保护下，使有机碳气凝胶前驱体在管式炉中发生碳化，得到碳气凝胶。

技术领域

本发明涉及高吸附活性的碳气凝胶的制备方法，具体涉及一种以木质素/苯酚/糠醛为前驱体的碳气凝胶及其制备方法。

背景技术

碳气凝胶与传统的无机硅气凝胶相比，具有导电性好、比表面积大、密度低的特点，是制备双电层电容器和新能源电池的理想电极材料。碳气凝胶具有生物机体相容性，使得其可用于制造人造生物组织、人造器官及器官组件、医用诊断剂及胃肠外给药体系的药物载体。由于碳气凝胶的高比表面和孔径可控，其可作为优异的吸附剂用在污水处理、海水淡化、储氢材料等方面。80年代末R.W.Pekala首次合成出RF有机气凝胶并由其碳化得到碳气凝胶。2013年浙江大学高分子科学与工程学系的科学家们研制出了一种超轻材料，这种被称为“全碳气凝胶”的固态材料密度仅每立方厘米0.16毫克，是迄今为止世界上最轻的材料，具有高吸附容量和高弹性，能吸收自身质量250-900倍左右的有机溶剂。

然而只有热固性有机气凝胶才能制备碳气凝胶，否则碳化将破坏凝胶结构。碳气凝胶的原料一般采用三聚氰胺－甲醛(MF气凝胶)、对苯二酚－甲醛(RF气凝胶)、间苯三酚－甲醛(PF气凝胶)，还有酚醛树脂和糠醛，线性高分子N-羟甲基丙烯酰胺与间苯二酚，混甲酚一甲醛，间甲酚-甲醛，2,4-二羟基苯甲酸-甲醛等，在碱催化剂作用下发生缩聚反应，形成有机凝胶。有机凝胶经过超临界干燥或冷冻干燥脱去凝胶三维网络结构中溶剂和后续的碳化工艺才能得到气凝胶。这些有机聚合物前体的原料，如苯酚、间苯二酚具有较高的毒性，对人体皮肤、粘膜有强烈的腐蚀作用，也可抑制中枢神经系统或损害肝、肾功能，而甲醛是一种潜在的致癌物质，会刺激眼睛、使咽喉发炎和损害呼吸道。遵循绿色化学的理念，寻求一种绿色无毒可再生的原料来代替苯酚成为当下亟需解决的问题。

另一方面，大部分具有多孔分级结构的碳气凝胶都采用碳化有机前体的方式来制备，如葡萄糖，果糖，细菌纤维素(BC)，间苯二酚-甲醛树脂(RFR)和酚醛树脂(PFR)。有机基团在碳化过程中产生微孔或中孔，从而使所制备得到的材料具有较高的比表面积。但是几乎所有的有机前体气凝胶都不能承受在干燥过程中的与液体表面张力有关的毛细作用力。为了防止孔道坍塌，严格、耗时的CO2超临界干燥方式将不可避免的用来干燥有机气凝胶前驱体。由于原材料昂贵、制备工艺复杂、耗时的干燥方法等原因，导致碳气凝胶微观结构不可控、产品产量低、成本高、规模化生产困难。

近年，Nina Fechler等在水热碳化(HTC)过程中，以盐作为致孔剂和稳定剂，在常温常压的干燥方法，使用葡萄糖与二元盐混合物制备得到多孔碳质材料。2016年中国科学技术大学俞书宏教授课题组提出了聚合物分子链作为三维软模板和盐作为三维硬模板来制备酚醛树脂基碳气凝胶的新方法。在聚合物壳聚糖的溶液中，酚醛聚合物的单体苯酚和甲醛由于静电相互作用力被吸附在分子链周围，随着单体的聚合，生成的聚合物则会沉积在壳聚糖分子链上，最终复制了壳聚糖的网络状结构而形成纤维网状的气凝胶。研究人员将金属离子(Fe3+)与酚醛树脂单体苯酚络合，然后引发酚醛聚合，络合作用将Fe3+非常均匀地嵌入到酚醛聚合物的链段结构中，然后高温碳化。所得的碳气凝胶包含膨胀的纳米石墨(间距0.36-0.4nm)和微米孔道(～0.8nm)两种结构，可以用作Li电池和Na电池的负极材料。