[发明专利]一种孔结构可控高强度等级孔碳整体柱的制备方法

说明书

本发明的一种孔结构可控高强度等级孔碳整体柱的制备方法。该法以间苯二酚(R)、甲醛(F)为反应单体，水(H)为溶剂，通过改变水、甲醛溶质和间苯二酚的质量比以及水浴凝胶温度对碳整体柱的微观孔结构进行调控。具体是将水、甲醛溶质和间苯二酚以一定的质量比混合得到溶胶，在一定温度下进行凝胶老化，经过常压干燥后于真空条件下碳化得到碳整体柱。本发明提出的碳整体柱制备体系和制备工艺简单，快速，设备要求低，可制备高强度的等级孔碳整体柱，是一种有利于工业化生产碳整体柱的方法。

技术领域：

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种孔结构可控高强度等级孔碳整体柱的制备方法。

背景技术：

自从20世纪80年代末Pekala首次合成碳整体柱材料以来[R.W.Pekala,J.Mater.Sci.,1989,24,3221]，碳整体柱材料就被广泛研究并应用在电容器电极材料、隔热材料、吸附和催化剂载体等方面。因为碳整体柱的制备和去除相对于二氧化硅整体柱较简单，所以也适合用作硬模板来制备其他一些通过类似方法不易制得的整体材料[T.Kubo,N.Tsujioka,N.Tanaka and K.Hosoya,Mater.Lett.,2010,64,177]。

制备碳整体柱的主要方法有溶胶凝胶法和硬模板法，原料有间苯二酚、苯酚、三聚氰胺等，其中，又以间苯二酚为原料的溶胶凝胶法可方便地实现对碳整体柱孔结构的控制而较受重视。但是，此法目前所面临的一些的问题也严重制约了其实际应用。比如，有报道通过添加酸性或碱性催化剂来调节反应前驱体的pH，并采用溶剂置换后进行超临界干燥或冰冻干燥等方法实现干燥，可达到控制碳整体柱微观孔结构的目的[S.A.Alcmuhtaseb andJ.A.Ritter,Adv.Mater.,2003,15,101]。很明显，此工艺复杂、周期长且成本高，不利于大批量工业化生产。另外，根据文献报道，目前所制备的碳整体柱的强度不高，如Jia等人报道的碳整体柱强度为5MPa[X.F.Jia,B.W.Dai,Z.X.Zhu,J.T.Wang,W.M.Qiao,D.H.Long andL.C.Ling,Carbon,2016,108,551]，Ye等人报道的碳整体柱强度为3.75MPa[C.S.Ye,R.B.Zhang,Z.M.An and B.L.Wang,Adv.Appl.Ceram.,2018,117,468]，这限制了它的实际应用。

发明内容：

本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种孔结构可控高强度等级孔碳整体柱的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种孔结构可控高强度等级孔碳整体柱的制备方法，包括以下步骤：

(1)将水、甲醛溶液和间苯二酚按配比混合，获得均匀溶胶；其中，按质量比，水(H)：甲醛溶质(F)：间苯二酚(R)＝(1.2-3.9):(0.2-0.7):1，较佳的配比范围为(1.99-2.32):(0.45-0.52):1，水包括甲醛溶液中的水；

(2)将溶胶在加热条件下密封老化，得到湿凝胶，其中，所述加热温度为35-100℃，老化时间为4-36h；

(3)将湿凝胶干燥，得到树脂整体柱，经高温碳化得到碳整体柱，其中，所述的碳化温度为700-900℃，保温时间为2-3h。

所述的步骤(1)中，甲醛溶液的质量分数为38％。

所述的步骤(2)中，加热方式为水浴加热，较佳水浴加热温度为35-85℃。

所述的步骤(3)中，湿凝胶干燥方式为：在室温下干燥10-24h，再于40-60℃烘箱中干燥8-36h。

所述的步骤(3)中，树脂整体柱柱体完整，无裂纹，微观孔结构可控、规整。

所述的步骤(3)中，碳整体柱强度达14.31-24.6MPa。