一種高比表面積稀土元素摻雜碳氣凝膠的通用制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬摻雜納米多孔材料制備技術領域，具體涉及一種高比表面積稀土元素摻雜碳氣凝膠的通用制備方法。本發(fā)明制備方法簡單、成本低廉、產(chǎn)率較高，且對金屬元素具有普適性。同時，本發(fā)明所制備的稀土元素摻雜碳氣凝膠比表面積高達900 m2/g以上，在鋰離子電池電極材料、汽車尾氣催化劑、儲氫、氣體吸附、慣性約束聚變靶材料等方向有廣泛應用。
【背景技術】
[0002]碳氣凝膠(Carbon Aerogel，CA)是由美國Pekala首先發(fā)現(xiàn)的一種新型輕質納米多孔材料，其基本特點為孔隙率高達80?98%，具有很高的比表面積(600?1000 m2 ^1)，密度變化范圍廣(0.05?0.80 g*cm_3)，在電學、熱學、光學等方面具有特殊性能，有著廣泛的應用前景，特別是它的大比表面積、高導電率和可直接成型等特點，使其成為鋰離子電池和超級電容器的理想電極材料。而稀土元素指的是元素周期表中IIIB族的鑭系元素加上鈧和釔等17種元素的總稱。其中，鈧與其它稀土元素的性質差異較大，而钷為人工放射性元素，本專利中均未研宄和保護。稀土元素在高性能熒光粉、冶金添加劑、催化劑、高溫超導、固體激光、高溫熱電和玻璃陶瓷添加劑等方向有廣泛應用。
[0003]制備金屬摻雜碳氣凝膠的方法通常有浸漬法(又名注入法)和溶膠一凝膠法。浸漬法是將已制備好的碳氣凝膠(或RF氣凝膠)直接浸沒到待摻雜的金屬混合物溶液中，過濾后烘干(高溫碳化)，獲得金屬摻雜碳氣凝膠。如同濟大學劉念平等人將碳氣凝膠浸沒在不同濃度的Fe (NO3) 3溶液中，并超聲波振蕩120 min,將生成的懸濁液過濾之后40。C真空干燥。將所得的產(chǎn)物在Ar氣流保護下600。C煅燒4 h，升溫速率為10。C/min，獲得不同摻雜濃度的碳氣凝，并研宄了其相關的電化學性能。結果表明，與傳統(tǒng)的碳氣凝膠相比，該Fe摻雜的碳氣凝膠具有更高的比容量，也具有更好的容量保持能力；傳統(tǒng)碳氣凝膠的制備方法中，需要碳酸鈉作為催化劑，而使用溶膠一凝膠法制備金屬摻雜碳氣凝膠的過程，則使用金屬鹽溶液代替碳酸鈉作為催化劑，經(jīng)過老化、溶劑替換、干燥、碳化后獲得金屬摻雜碳氣凝膠。如南京航空航天大學的計亞軍等人以間苯二酚、甲醛為前驅體，以金屬硝酸鐵(或鎳)和去離子水的混合液為催化劑，制備了金屬鐵(或鎳)摻雜的RF氣凝膠，高溫碳化后獲得碳金屬鐵(或鎳)摻雜的碳氣凝膠。電化學測試結果表明，摻雜Ni2+樣品的比電容數(shù)值比摻雜Fe3+樣品的和傳統(tǒng)碳酸鈉為催化劑所得碳氣凝膠的來得更高，可達227.3 F/g，其電化學性能較。
[0004]上述兩種制備金屬摻雜碳氣凝膠的過程都有一個老化過程，需要3-4天的時間，這極大限制了金屬摻雜碳氣凝膠的應用與工業(yè)化，而有關稀土元素摻雜碳氣凝膠的研宄鮮有報道。本專利采用環(huán)氧化物為凝膠促進劑制備了多種稀土摻雜碳氣凝膠材料。在獲得一種新材料的同時，極大地縮短了金屬摻雜碳氣凝膠的制備時間。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種制備方法簡單、制備時間短、適用范圍廣、成本低廉、可能工業(yè)放大的稀土元素摻雜碳氣凝膠材料的制備方法。具體步驟如下:
(1)將稀土元素氯化物直接溶于有機溶劑、水或有機溶劑與水的混合溶液中，配制成稀土元素氯化物溶液A ;
(2)將間苯二酚溶解到甲醛溶液中，得到間苯二酚、甲醛的混合溶液B;
(3)在連續(xù)磁力攪拌下，將溶液A滴加到溶液B，并滴加環(huán)氧化物，攪拌均勻，靜置后得到凝膠；
(4)將步驟(3)所得凝膠在常溫下老化后，進行溶劑替換、干燥、高溫碳化后，獲得稀土摻雜碳氣凝膠材料。
[0006]本發(fā)明中，步驟⑴中的稀土元素氯化物為鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)或釔(Y)氯化物中的任意一種或一種以上的混合物。
[0007]本發(fā)明中，步驟(I)中的有機溶劑為甲醇、乙醇、丙酮、乙腈等物質。
[0008]本發(fā)明中，步驟(3)中的環(huán)氧化物為環(huán)氧丙烷、環(huán)氧乙烷、環(huán)氧氯丙烷等具有環(huán)氧基團的化合物。
[0009]本發(fā)明中，步驟(4)中所述溶劑替換中的溶劑為甲醇、乙醇、丙酮、乙腈等物質。
[0010]本發(fā)明中，步驟(4)中所述干燥方法為常壓自然干燥、超臨界流體干燥、加熱脫氣干燥、冷凍干燥等方式。
[0011]本發(fā)明中，步驟(4)中所述高溫碳化的溫度為900°C ~1200°C。
【附圖說明】
[0012]圖1實施例1樣品的照片
圖2實施例1樣品的X射線衍射圖譜圖3實施例1樣品的傅立葉變換紅外光譜圖圖4實施例1樣品的掃描電子顯微鏡照片圖5實施例1樣品的透射電子顯微鏡照片圖6實施例2樣品的照片圖7實施例2樣品的X射線衍射圖譜圖8實施例3樣品的照片圖9實施例3樣品的X射線衍射圖譜
【具體實施方式】
[0013]以下通過實施例進一步具體說明本發(fā)明。(各原料均為市售原料，無特別說明純度均為化學純或分析純等級)
實施例1:氧化鑭摻雜碳氣凝膠的制備
在充分攪拌的情況下，將6 mmol氯化鑭溶解到20 ml乙醇中獲得A液，將Imol間苯二酚溶解到2mol甲醛溶液中獲得B液。充分攪拌15分鐘后，將A液緩慢滴入B液中，充分攪拌30分鐘后，緩慢滴入2ml環(huán)氧丙烷，靜置后得到鑭摻雜濕凝膠。凝膠經(jīng)過乙醇替換三次后進行0)2超臨界流體干燥，得到鑭摻雜氣凝膠，1050 °C高溫碳化后獲得氧化鑭摻雜碳氣凝膠。
[0014]實施例2:氧化釔摻雜碳氣凝膠的制備
在充分攪拌的情況下，將6 mmol氯化釔溶解到20 ml乙醇中獲得A液，將Imol間苯二酚溶解到2mol甲醛溶液中獲得B液。充分攪拌15分鐘后，將A液緩慢滴入B液中，充分攪拌30分鐘后，緩慢滴入2ml環(huán)氧丙烷，靜置后得到釔摻雜濕凝膠。凝膠經(jīng)過乙醇替換三次后進行0)2超臨界流體干燥，得到釔摻雜氣凝膠，1050 °C高溫