[发明专利]一种调控碳气凝胶孔道取向的方法和碳气凝胶及应用

说明书

本发明提供了一种调控碳气凝胶孔道取向的方法和碳气凝胶及应用。以丝状真菌为组装骨架，将分散在水溶液中的间苯二胺添加于丝状真菌混合液内，经振荡搅拌，添加过硫酸铵使间苯二胺聚合得到菌丝‑聚间苯二胺复合物，之后在冷场中冷冻成型，再通过冷冻干燥脱模，最后在惰性气氛下高温热解成碳气凝胶。本发明通过对碳气凝胶通道取向的控制，降低溶液在材料内部的传质阻力，能显著增强碳气凝胶的电吸附容量。

技术领域

本发明属于无机纳米多孔材料及其制备技术领域，涉及一种调控碳气凝胶孔道取向的方法和碳气凝胶及应用。

背景技术

电容去离子技术(Capacitivedeionization，CDI)具有无二次污染，操作简便等优势，广泛应用于海水淡化，苦咸水净化等领域，具有极大的应用前景。

电极材料是决定CDI性能的关键。碳材料，金属氧化物，Ag/Bi，Mxene等材料被广泛应用于CDI电极。然而，传统电极制备方法以涂膜法为主，材料用量小，且粘结剂会封闭材料的孔径而降低活性面积，从而削弱电极材料的性能。将粉末材料制备成型体电极，避免粘结剂的使用的同时材料用量大幅提升，已被证实是一种提升CDI处理效率的可行方法。

然而，通常情况下，成型体电极的孔道是短程和无序的，且存在闭合孔，反应更可能发生在外表面或易达到的中孔，有大部分材料表面无法起到作用，因而产生浪费。特别地，在应用于CDI领域时，双电层会在材料表面迅速形成，静电斥力会阻碍带电物质从本体溶液向电极表面的迁移，不规则的孔道会导致流体通过时间延长，达到吸附平衡变慢，从而影响吸附速率。因此，成型体孔道的不规则性极大的限制了它的应用。

本发明以菌丝和芳香胺单体为原料，通过对温度场的精确调控，构建了具有规则孔道取向的碳气凝胶成型体电极，同时考察了成型体电极孔道取向对于CDI性能的影响。

同时，基于本发明制备的具有规则孔道取向的碳气凝胶的特性，还可以将其扩展应用到更广阔的技术领域，例如能源电池负极材料或者吸附材料领域。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种孔道取向可控的碳气凝胶，该材料内部孔道方向一致。而方向一致的规则孔道会让流体通过时间短，吸附平衡变快，极大提升了材料的吸附性能，尤其应用于CDI领域时，可显著提升CDI处理效率。

上述的碳气凝胶，是由丝状真菌和芳香胺单体，以及氧化剂反应获得的菌丝@聚芳香胺复合物，然后经过冷场处理、冷冻干燥，高温碳化后获得；所述的冷场处理，是指对材料立体形状上的一个平整表面或者相对的两个平整表面进行降温处理；优选冷源直接接触材料立体形状上的平整表面，或者通过导热薄片接触平整表面；当材料立体形状为圆柱体时，则对圆柱体的两个底面，或者圆柱体的整个侧面进行降温处理。

所述的碳气凝胶材料的孔径范围5um-200um。

本发明的第二个目的是提供上述碳气凝胶的制备方法。该制备简单，操作简便，成本低廉，且方便大规模生产，具体如下：

一种调控碳气凝胶孔道取向的方法，包括以下步骤：

1)丝状菌丝、芳香胺单体、氧化剂发生聚合反应，得到菌丝@聚芳香胺复合物，并在立体模具中成型；

2)使经过模具成型的立体形状的菌丝@聚芳香胺复合物的一个表面，或者相对的两个表面，或者圆柱体形状的菌丝@聚芳香胺复合物的两个底面，或者圆柱体的整个侧面均匀接触冷源处理，或者通过导热薄片接触冷源处理；

3)步骤2)处理后获得的菌丝@聚芳香胺复合物冷冻干燥脱水，得到菌丝@聚芳香胺气凝胶；

4)将菌丝@聚芳香胺气凝胶在惰性气氛下高温碳化，得到碳气凝胶。

进一步地，所述的步骤2)的冷源温度为-40—-5℃，优选-25—-10℃，进一步优选-20—-15℃。