[发明专利]一种炭黑气凝胶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种炭黑气凝胶及其制备方法。该制备方法包括如下步骤：用炭毡制作炭毡筒作为沉积基底；以天然气、丙烯或丙烷为碳源气体，氩气或氮气为保护气体，在温度为900～1150℃、压力为20～101kPa条件下进行化学气相沉积，得到炭黑气凝胶。本发明提供的炭黑气凝胶制备方法简单、高效、清洁环保；制得的炭黑气凝胶是一种新的全炭气凝胶，具有密度低、抗压能力强、超疏水、热导率低等特点，综合性能优异，在超级电容器、储能材料、废水处理、保温材料等领域具有较大的应用潜力。

技术领域

本发明属于碳气凝胶制备技术领域，具体涉及一种炭黑气凝胶及其制备方法。

背景技术

碳气凝胶作为一种新型炭纳米材料，由于其具有低密度、高比表面积、丰富孔隙结构以及高导电率等优良特征，在吸附材料、电化学、贮氢材料等领域有着广泛的应用潜能，成为炭质材料研究的前沿和热点。

从研究现状来看，开发制备新的碳气凝胶，原料是关键。目前，制备碳气凝胶主要原料有碳纳米管、石墨烯、生物质和酚醛类，其中酚醛聚合工艺复杂、成本较高且污染环境，制备碳气凝胶工艺复杂、成本较高，价格高昂，从而限制其工业化生产，若实现采用可再生、环境友好无污染的生物质原料制备的新型炭气凝胶将具有重要的现实意义和理论价值。炭黑是由许多纳米级的微粒融合在一起而形成一个类似葡萄状的聚合结构，特别是炭黑聚集体可以纠缠在一起，使得粒子间的距离分布较窄，从而形成了一个由炭黑簇构成的网络。这种网络结构与目前被广泛研究的碳气凝胶微观结构一致。从结构形式上来看，炭黑颗粒可以作为组建成为碳气凝胶的基本单元。相对而言，炭黑生产制备成本较低，工艺简单可靠，且原料来源广泛，但目前炭黑很少单独使用，基本上是以炭黑粉体与其他成分结合形成复合材料。另外，目前普遍采用有机凝胶经临界干燥与炭化方法得到碳气凝胶，这种方式存在操作复杂、周期长、耗能大、产量低等缺点。

发明内容

针对上述研究现状，本发明的目的是提供一种炭黑气凝胶及其制备方法，该方法工艺简单、能耗低、生产效率高，且制备的炭黑气凝胶密度低，具有良好的疏水能力、导电性能、隔热能力，而且能够实现连续工业化生产。

本发明提供的这种炭黑气凝胶的制备方法，包括如下步骤：

1)、将炭毡制成筒状沉积基底，所述筒状沉积基底的一端设置有进气洞口，另一端使用盖板密封或开孔作为出气口；

2)、将步骤1)制得的筒状沉积基底放入沉积炉或管式炉中，通入碳源气体和保护气体，进行化学气相沉积，沉积结束后，冷却，裁切和剥离筒状沉积基底，得到炭黑气凝胶。

作为优选，所述步骤1)中，炭毡为短纤维炭毡、针刺毡和三维穿刺编织炭毡中的至少一种；筒状沉积基底的孔隙率为40％～90％，厚度为1～12mm；筒状沉积基底为长方体或圆筒状沉积基底。

作为优选，所述步骤1)中，盖板为炭毡、石墨板、石英板中的至少一种；出气口总面积不大于8mm²。

作为优选，所述步骤2)中，碳源气体为天然气、丙烯和丙烷中的至少一种；保护气体为氮气、氩气中的至少一种。

作为优选，所述步骤2)中，化学气相沉积采用流化床化学气相沉积法，炭黑颗粒于沉积过程中在气流的作用下呈现出与流体相似的流动性能；碳源气体与保护气体的体积比为1～3:1～2，碳源与保护气体的总流量为3～8L/min；化学气相沉积的工艺条件为：温度为900～1150℃、压力为20～101kPa，沉积时长2～12h。