[发明专利]一种苯酚-尿素-甲醛共缩聚树脂基氮掺杂炭气凝胶的制备方法

说明书

本发明公开了一种苯酚‑尿素‑甲醛（PUF）共缩聚树脂基氮掺杂炭气凝胶的制备方法，具体包括以下步骤：先将苯酚、尿素和甲醛直接混合，在碱性条件下发生聚合反应得到PUF共缩聚树脂；树脂稀释后置于烘箱中发生凝胶、老化，得到水凝胶；水凝胶进行溶剂置换，经冷冻、干燥，得到有机气凝胶；有机气凝胶经过高温炭化得到PUF共聚树脂基炭气凝胶。本发明制得的苯酚‑尿素‑甲醛（PUF）共缩聚树脂基氮掺杂炭气凝胶，其比表面积可高达2600m²/g，孔隙率可达85%以上，孔径为0.3~120nm，氮杂原子含量为6~8%，通过孔径调节可使上述炭气凝胶的功能更具专一性，使其在功能化应用，尤其是二氧化碳捕捉方面具有巨大的潜力。

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种苯酚-尿素-甲醛共缩聚树脂基氮掺杂炭气凝胶的制备方法。

背景技术

炭气凝胶是一种新型的多孔炭材料，由于炭气凝胶具有孔隙率高、密度低、比表面积高、热导率低以及导电性好等优良特性，使其在吸附、催化、隔热和储能等领域具有广泛的应用前景。目前，制备炭气凝胶的原料主要包括酚醛类、生物质材料两大类，其中，酚醛类炭气凝胶主要以多元酚、醛类为原料，但多元酚价格昂贵，如间苯二酚，间苯三酚等，限制了此类气凝胶的工业化应用。

炭材料中掺杂杂原子能够有效地提高材料性能，可以进一步拓展其应用范围。氮元素是一种重要的炭材料表面改性元素，含氮官能团的引入可以改变材料表面化学特性，对材料的吸附性能、电化学特性等均有明显提升。氮元素的引入方式通常是以三聚氰胺、乙二胺、六亚甲基四胺、尿素、酰胺等物质作为氮源，与原料混合发生聚合反应而引入前驱体中，或者与原料混合直接炭化而引入炭材料中。例如公开号为CN108439400A的专利介绍了一种用尿素与甘蔗渣共炭化得到炭化前驱体，再进行活化得到掺氮甘蔗渣活性炭的方法，此发明中的掺氮活性炭与未改性活性炭相比，其对CO₂吸附有明显增加。公开号为CN108212034A的专利介绍了一种用微晶纤维素、蛋白质、浓硫酸和水为原料经水热合成制备掺氮前驱体，冷冻干燥后制得掺氮炭气凝胶的方法，此发明以蛋白质中丰富的酰胺键作为氮源达到掺氮的目的，得到的掺氮炭气凝胶对重金属离子有优异的吸附性能。

近年来，“温室效应”引发的环境问题日益严重，控制和减少温室气体的排放成为各国亟待解决的问题。CO₂为主要的温室气体，因此控制和减少CO₂气体的排放是解决“温室效应”的关键。其中，CO₂气体的富集是控制CO₂排放的有效手段，多孔炭材料由于其孔隙率高、微孔丰富可作为优良的CO₂物理吸附剂。有研究表明，炭材料的孔径分布是影响CO₂气体吸附量的主要因素，并且最适孔径范围是＜1nm。

发明内容

本发明的目的在于提供一种苯酚-尿素-甲醛共缩聚树脂基氮掺杂炭气凝胶的制备方法，以相对廉价的苯酚、甲醛为原料，以尿素作为氮源，为氮掺杂型炭气凝胶的低成本制备提供一种有效途径。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种苯酚-尿素-甲醛共缩聚树脂基氮掺杂炭气凝胶的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）将苯酚、尿素和37wt%的甲醛溶液混合并通过碱性溶液将pH值调节为8.5~10，再进行聚合反应得到PUF共聚树脂，所述碱性溶液优选为33wt%的NaOH溶液，所述pH值优选为8.7-9.2；

（2）采用无水乙醇对步骤（1）得到的PUF共缩聚树脂稀释，再将pH值调节为8.5~12.5，然后在85~90℃条件下，恒温反应5~6天，发生凝胶、老化后得到水凝胶；

（3）将步骤（2）得到的水凝胶进行溶剂置换，再经冷冻干燥得到有机气凝胶；

（4）将步骤（3）得到的有机气凝胶进行炭化反应，得到苯酚-尿素-甲醛（PUF）共缩聚树脂基氮掺杂炭气凝胶。