本發(fā)明涉及碳材料制備領(lǐng)域,具體涉及一種碳?xì)饽z及其制備方法。
背景技術(shù):
碳?xì)饽z,作為一種新型的碳材料,具有質(zhì)量輕、比表面積大、孔體積大的、熱導(dǎo)率低等特點(diǎn),在吸附、能量的轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存、傳感器以及絕熱保溫材料等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。
碳?xì)饽z的制備一般采用溶膠凝膠法或模板導(dǎo)向法,然而前者一般要用到冷凍干燥來(lái)去除凝膠中的溶劑來(lái)保持骨架結(jié)構(gòu),制備條件苛刻;后者依賴于模板的精細(xì)結(jié)構(gòu)和尺寸,難以大批量制備,簡(jiǎn)單的可批量化的碳?xì)饽z制備方法依然是材料合成領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn),受到科研機(jī)構(gòu)及企業(yè)的廣泛關(guān)注。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明針對(duì)碳?xì)饽z現(xiàn)有制備技術(shù)的不足,提出了一種簡(jiǎn)單的碳?xì)饽z材料的制備方法,本發(fā)明采用以下具體方案實(shí)現(xiàn)的:
一種碳?xì)饽z,所述碳?xì)饽z中含有N元素,同時(shí)還含有異質(zhì)元素P、S、B中的一種或兩種以上。
所述碳?xì)饽z中N元素的質(zhì)量含量為1%-7%,所述異質(zhì)元素P、S、B中的一種或兩種以上的總的質(zhì)量含量為1%-5%。
所述碳?xì)饽z為由多孔的石墨片層交聯(lián)成的結(jié)構(gòu),含有微孔、介孔和大孔;所述大孔由石墨片層堆疊而成,所述介孔分布于石墨片層上,所述微孔存在于石墨片層的介孔壁上。
所述微孔尺寸分布在0.5nm-2nm之間,介孔尺寸分布在3nm-10nm之間,大孔尺寸分布在50nm-100nm之間;
所述碳?xì)饽z的比表面積為1200-2000m2g-1;所述碳?xì)饽z中微孔的比表面積占總比表面積的50%-80%。
所述碳?xì)饽z的總孔容為1.5-3m3g-1;所述微孔孔容占總孔容的40%-90%,大孔和介孔孔容占總孔容的10%-60%。
所述碳?xì)饽z的制備方法,包括以下步驟,
(1)碳?xì)饽z前體的制備:將多元醇和無(wú)機(jī)酸攪拌均勻后并加熱抽真空使其發(fā)生酯化反應(yīng),將含氨基化合物的分散液加入所得反應(yīng)產(chǎn)物中,再次混合均勻后加熱使其發(fā)生成鹽反應(yīng),得碳?xì)饽z前體;
(2)碳?xì)饽z的制備:將步驟(1)所得碳?xì)饽z前體在于惰性氣氛中高溫碳化處理,得碳?xì)饽z。
步驟(1)中所述多元醇與無(wú)機(jī)酸的物質(zhì)的量的比為2:1-1:8;所述無(wú)機(jī)酸與氨基化合物的物質(zhì)的量的比為5:1-1:5。
步驟(1)中所述所述多元醇為季戊四醇、木糖醇、山梨醇中一種或兩種以上;所述無(wú)機(jī)酸為硼酸、磷酸、硫酸、硝酸中一種或兩種以上;所述氨基化合物為尿素、三聚氰胺、氰胺中一種或兩種以上;溶劑為甲醇、乙醇和乙二醇或兩種及兩種以上混合液。
步驟(1)中所述酯化反應(yīng)的條件為于70-200℃下反應(yīng)0.5-5h,真空度為0.03-0.2Mpa;所述成鹽反應(yīng)條件為30-150℃溫度下反應(yīng)2-24h。
步驟(2)中所述碳化處理?xiàng)l件為以升溫速率為2-10℃/min,升溫至300-600℃并保持0.5-3h,再次以升溫速率為2-10℃/min升高溫度至700-1100℃,保持此溫度0.5-3h,冷卻至室溫。
步驟(2)中所述惰性氣體為氮?dú)?、氬氣中一種或兩種的混合氣。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):制備過(guò)程中原材料價(jià)格低廉、制備工藝簡(jiǎn)單、無(wú)需冷凍干燥等苛刻的制備條件,食欲大規(guī)模生產(chǎn)。同時(shí)制備的碳?xì)饽z具有較大的表面積,良好的孔結(jié)構(gòu),使其在吸附與能量的轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)領(lǐng)域均有較大的潛在應(yīng)用前景。
附圖說(shuō)明
圖1:實(shí)施例1中的碳?xì)饽z的數(shù)碼照片;
圖2:實(shí)施例1中的碳?xì)饽z的SEM照片;
圖3:實(shí)施例1中的碳?xì)饽z的TEM照片;
圖4:實(shí)施例2中的碳?xì)饽z的SEM照片;
圖5:實(shí)施例3中的碳?xì)饽z的物理吸附曲線;
圖6:實(shí)施例3中的碳?xì)饽z的孔徑分布曲線。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
稱取6.8g季戊四醇于燒瓶中,加入29.40g磷酸,攪拌減壓(真空度為0.1MPa),加熱至120℃,保溫1.5h,得到淡黃色透明粘稠狀季戊四醇磷酸酯液體。在另一圓底燒瓶中加入120mL乙醇和16.38g三聚氰胺,充分?jǐn)嚢?.5h,將上步中合成得到的季戊四醇磷酸酯倒入裝有乙醇分散劑的三聚氰胺中,加熱至80℃,攪拌回流6h,得到白色乳濁液,旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的大白色固體,將白色固體,放于石英舟,在氮?dú)夥諊拢?℃/min的升溫速率升溫至350℃,保持0.5h,繼續(xù)以5℃/min的升溫速率升溫至900℃,保持2h,冷卻至室溫取出。其外觀形貌的數(shù)碼照片見(jiàn)附圖1,微觀形貌SEM照片見(jiàn)附圖2,透射電競(jìng)照片見(jiàn)附圖3。從圖中可知,外觀為泡沫狀的固體,質(zhì)量非常輕,SEM顯示微觀結(jié)構(gòu)為石墨片層堆疊而成,TEM顯示石墨片層上存在大量介孔,且介孔相互連接。
實(shí)施例2
稱取13.6g季戊四醇于燒瓶中,加入29.40g磷酸,攪拌減壓(真空度為0.1MPa),,加熱至120℃,保溫1.5h,得到淡黃色透明粘稠狀季戊四醇磷酸酯液體。在另一圓底燒瓶中加入120mL乙醇和16.38g三聚氰胺,充分?jǐn)嚢?.5h,將上步中合成得到的季戊四醇磷酸酯倒入裝有乙醇分散劑的三聚氰胺中,加熱至80℃,攪拌回流6h,得到白色乳濁液,旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的大白色固體,將白色固體,放于石英舟,在氮?dú)夥諊拢?℃/min的升溫速率升溫至350℃,保持0.5h,繼續(xù)以5℃/min的升溫速率升溫至900℃,保持2h,冷卻至室溫取出。其微觀形貌SEM見(jiàn)附圖4。從圖中可知,SEM顯示微觀形貌為石墨片層結(jié)構(gòu),石墨片層厚度為300-400nm左右。
實(shí)施例3
稱取6.8g季戊四醇于燒瓶中,加入29.40g磷酸,攪拌減壓(真空度為0.1MPa),,加熱至120℃,保溫1.5h,得到淡黃色透明粘稠狀季戊四醇磷酸酯液體。在另一圓底燒瓶中加入120mL乙醇和16.38g三聚氰胺,充分?jǐn)嚢?.5h,將上步中合成得到的季戊四醇磷酸酯倒入裝有乙醇分散劑的三聚氰胺中,加熱至80℃,攪拌回流6h,得到白色乳濁液,旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的大白色固體,將白色固體,放于石英舟,在氮?dú)夥? 圍下,5℃/min的升溫速率升溫至350℃,保持0.5h,繼續(xù)以5℃/min的升溫速率升溫至1000℃,保持2h,冷卻至室溫取出。其物理吸附曲線見(jiàn)附圖5,孔徑分布曲線見(jiàn)附圖6.從圖中可知,物理吸附曲線中存在回滯環(huán),表明有介孔的存在,由此計(jì)算出比表面積為1717m2/g,對(duì)其孔徑分布通過(guò)DFT進(jìn)行模擬,其孔徑存在兩個(gè)孔徑范圍的集中分布,一個(gè)為小于兩個(gè)納米的微孔,另一個(gè)為3-8納米的介孔。