CN114455564A - 空间限域离心力场调控密度的碳气凝胶及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的本发明公开的空间限域离心力场调控密度的碳气凝胶的制备方法，具体为：步骤1，将碳纳米管、表面活性剂和水混合均匀；步骤2，将步骤1所得的混合液超声震荡并静置，保留下层残留的固形物；步骤3，将间苯二酚、甲醛、碳酸钠和水混合均匀；步骤4，将步骤3所得的混合液加入到步骤2所得的残留的固形物B中，搅拌均匀；步骤5，制备湿凝胶；步骤6，制备醇凝胶；步骤7，将步骤6所得的醇凝胶进行冷冻干燥处理；步骤8，气凝胶放入管式炉中高温碳化，即可得碳气凝胶。该碳气凝胶具有孔隙率高、密度变化范围大和密度连续可调控等优点。
Description
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种空间限域离心力场调控密度的碳气凝胶，还涉及一种空间限域离心力场调控密度的碳气凝胶的制备方法。
背景技术
气凝胶是一类具有多级分形结构的纳米多孔功能材料。由于兼备纳米效应和宏观特性，其表现出许多异于普通凝聚态物质的奇异性能，如超高的孔隙率(>99.9％)、超低的密度(最低约1kg/m3)、超低的折射率(<1.0003)、超低的热导率(<0.01W/(m·K))、超低的杨氏模量(最低约104Pa)、超低的介电常数(<1.003)、超低的声速(<70m/s)、较高的比表面积(数千m2/g)和超宽的物性可调范围等。气凝胶的成分范围很广，除了传统的氧化物气凝胶外，还有硫族化合物气凝胶、有机气凝胶、碳基气凝胶、碳化物气凝胶和多种其它类别的气凝胶。由于性能独特、成分多样，气凝胶不仅仅被认为是一类材料，而更多被视为一类结构，有的学者甚至把它归结为一种新的物质凝聚状态，在切伦科夫探测、惯性约束聚变、太空高速粒子捕获以及超流氦相变研究等方面具有不可替代的作用。
碳气凝胶是近年来受到各界学者广泛关注的热点方向之一。碳气凝胶具有良好的导电性和较强的化学惰性，以其独特的结构和性质被广泛应用于能源、环境保护、化工生产、电子器件、生物医疗等诸多领域，尤其是在激光状态方程实验、光催化以及能源存储等方面具有重要的应用价值，此外，碳气凝胶具有很高的比表面积，有望用于储氢和去除油污。
碳气凝胶的研发可以追溯到1989年，美国劳伦斯利弗莫尔实验室的Pekala等人发明了间苯二酚-甲醛有机气凝胶，将其高温热解碳化后得到了碳气凝胶，此后，各式各样的碳气凝胶相继被发明和报道。2006年，Bryning等人首次制备了单壁碳纳米管气凝胶，在水中利用表面活性剂分散单壁碳纳米管，利用溶胶-凝胶法制备了单壁碳纳米管气凝胶。Aliev等人制备了具有超弹性的薄片状的碳纳米管气凝胶。Zou等人制备了超低密度的碳纳米管气凝胶，可用于传感器。2016年，Shen等人以廉价的工业级碳纳米管为原料，利用离心工艺和超临界干燥工艺制备了不同密度的碳纳米管气凝胶。
李远刚等人(国家发明专利公开号：CN113117613，公开日：2021-07-16)以有机小分子为胶凝剂原料创造性地得到了具有三维超分子网络结构的超分子气凝胶，该超分子气凝胶为具有与双组分水凝胶体积相同且密度调控范围下限为4mg/cm3的弹性固体材料，具有良好的可逆性和刺激响应性。
马晓军等人(国家发明专利公开号：CN113816356A，公开日：2021-12-21)将木粉等生物质材料经液化后获得木材液化物前驱体，与甲醛和六次甲基四胺混合，在一定温度下相互交联，形成水凝胶，经溶剂置换、干燥后形成气凝胶。进一步地，结合高温热解和水蒸气一步活化技术，改变气凝胶的性质，调控孔隙结构，制备疏松多孔、具有超低密度的木质全组分碳气凝胶。
楚增勇等人(国家发明专利公开号：CN113145031A，公开日：2021-07-23)将纤维素和氧化石墨烯混合后，加入水中，液下搅拌升温后，加热液下搅拌超声处理；加热机械搅拌发泡后，密封升温，调整压力；倒入模具中，液氮冷却后，冷冻干燥，得纤维素/氧化石墨烯复合气凝胶。
马冠香等人(国家发明专利公开号：CN112980044A，公开日：2021-06-18)将凯夫拉宏观纤维纳米化，制备芳纶纳米纤维胶体分散液；溶剂交换相转变法制备大块芳纶纳米纤维水凝胶；采用超临界CO2、常压等干燥工艺制备大块芳纶纳米纤维气凝胶。
程远静等人(国家发明专利公开号：CN112265982A，公开日：2021-01-26)基于还原-冷冻-蒸干之后高温裂解的方法制备气凝胶，后续通过高温反应掺杂N原子的方式得到具有三维多孔结构的N掺杂石墨烯/石墨烯纳米带复合吸波体。
碳气凝胶的电导率、力学模量以及孔隙率等性质与密度直接相关，在实际应用当中，对碳气凝胶的密度有着特殊的要求，比如在激光状态方程实验中，所需的碳气凝胶的密度范围是100-1000mg/cm3。然而对碳气凝胶密度进行大范围调控的研究目前报道的较少。
发明内容
本发明的目的是提供一种空间限域离心力场调控密度的碳气凝胶，具有孔隙率高、密度变化范围大和密度连续可调控的优点。
本发明的另一个目的是提供空间限域离心力场调控密度的碳气凝胶的制备方法。
本发明所采用的第一个技术方案是，空间限域离心力场调控密度的碳气凝胶的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1，将碳纳米管、表面活性剂和水混合均匀，通过磁力搅拌1-2h形成混合液A；
步骤2，将步骤1所得的混合液A超声震荡5-6h后，在室温下静置3-4d，待固形物质从液体中完全析出沉聚于容器底部后，去除上层清液，获得下层残留的固形物B；
步骤3，将间苯二酚、甲醛水溶液、碳酸钠和水混合均匀，通过磁力搅拌1-2h，形成混合液C；
步骤4，将步骤3所得的混合液C加入到步骤2所得的残留的固形物B中，搅拌均匀，得到混合液D；
步骤5，将步骤4所得的混合液D转移到塑料离心管中，装载量不超过离心管容积的三分之一，在室温下静置1-2d，然后离心处理，即可得到湿凝胶。
步骤6，将步骤5所得的湿凝胶连同离心管放入恒温箱中，用叔丁醇浸泡洗涤5-6d，每1-2d替换一次溶剂，得到醇凝胶；
步骤7，将步骤6所得的醇凝胶进行冷冻干燥处理，即可得到气凝胶；
步骤8，将步骤7中的气凝胶放入管式炉中，在惰性气氛保护条件下从室温加热到850-1050℃，维持850-1050℃高温3-4h将样品充分碳化，即可得到碳气凝胶。
本发明的特征还在于，
步骤1中，碳纳米管是多壁碳纳米管，表面活性剂是十二烷基苯磺酸钠，碳纳米管、表面活性剂和水的质量比为1:5-10:150。
步骤2中，超声震荡设置的温度为45-50℃。
步骤3中，甲醛水溶液为质量分数为38％的甲醛水溶液，间苯二酚、甲醛水溶液、碳酸钠和水的质量比为1:1.5:0.001-0.01:3。
步骤4中，混合液C和残留的固形物B的质量比为1:1-2。
步骤5中，所用到的离心管容积为10-15ml，离心机的转速为1000-4200r/min，离心时间为5-10min。
步骤6中，恒温箱的温度设置为45-50℃。
步骤7中，在冷冻干燥机中快速冷冻时间为3-4h，冷冻干燥为抽真空冷冻干燥，冷冻干燥的时间为24-48h。
步骤8中，管式炉的升温速率为8-10℃/min，惰性气氛为高纯氮气。
本发明所采用的第二个技术方案是，空间限域离心力场调控密度的碳气凝胶，采用上述的制备方法制备得到。
本发明的有益效果是：
(1)本发明涉及的工艺简单、易于操作，制备得到的碳气凝胶由球状纳米颗粒和管状纳米纤维交互穿插、彼此堆叠在一起而形成，具有孔隙率高、密度变化范围大和密度连续可调控等优点，对于国防、航天探测、节能环保以及基础物理研究领域有着重要的意义。
(2)本发明利用空间限域离心力场来调控碳气凝胶的密度，所制备的碳气凝胶密度可调范围为0.1g/cm3～0.5g/cm3。
附图说明
图1是本发明制备方法的流程图；
图2是本发明实施例1制备得到的碳气凝胶的SEM图像(标尺为1μm)；
图3是本发明实施例1制备得到的碳气凝胶的SEM图像(标尺为500nm)；
图4是本发明实施例1制备得到的碳气凝胶的TEM图像(标尺为200nm)；
图5是本发明实施例1制备得到的碳气凝胶的TEM图像(标尺为100nm)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种空间限域离心力场调控密度的碳气凝胶的制备方法，如图1所示，具体包括如下步骤：
步骤1，将碳纳米管、表面活性剂和水混合均匀，通过磁力搅拌1-2h形成混合液A；
步骤1中，碳纳米管是多壁碳纳米管，表面活性剂是十二烷基苯磺酸钠，碳纳米管、表面活性剂和水的质量比为1:5-10:150。
步骤2，将步骤1所得的混合液A超声震荡5-6h后，在室温下静置3-4d，待固形物质从液体中完全析出沉聚于容器底部后，去除上层清液，获得下层残留的固形物B；
步骤2中，超声震荡设置的温度为45-50℃。
步骤3，将间苯二酚、甲醛水溶液、碳酸钠和水混合均匀，通过磁力搅拌1-2h，形成混合液C；
步骤3中，甲醛水溶液为质量分数为38％的甲醛水溶液，间苯二酚、甲醛水溶液、碳酸钠和水的质量比为1:1.5:0.001-0.01:3。
步骤4，将步骤3所得的混合液C加入到步骤2所得的残留的固形物B中，搅拌均匀，得到混合液D；
步骤4中，混合液C和残留的固形物B的质量比为1:1-2。
步骤5，将步骤4所得的混合液D转移到塑料离心管中，装载量不超过离心管容积的三分之一，在室温下静置1-2d，然后离心处理，即可得到湿凝胶。将离心管转移到水平转子离心机中，使离心管底部与离心机转子最大直径处紧密贴合通过调控离心机的转速来获得不同的离心加速度，从而实现离心管底部所在空间位置的离心力场大小的调控，离心力的方向垂直于转轴朝外，进过离心即可得到不同密度的湿凝胶；
步骤5中，所用到的离心管容积为10-15ml，离心机的转速为1000-4200r/min，离心时间为5-10min。
步骤6，将步骤5所得的湿凝胶连同离心管放入恒温箱中，用叔丁醇浸泡洗涤5-6d，每1-2d替换一次溶剂，得到醇凝胶；
步骤6中，恒温箱的温度设置为45-50℃。
步骤7，将步骤6所得的醇凝胶进行冷冻干燥处理，即可得到气凝胶；
步骤7中，在冷冻干燥机中快速冷冻时间为3-4h，冷冻干燥为抽真空冷冻干燥，冷冻干燥的时间为24-48h。
步骤8，将步骤7中的气凝胶放入管式炉中，在惰性气氛保护条件下从室温加热到850-1050℃，维持850-1050℃高温3-4h将样品充分碳化，即可得到碳气凝胶。
步骤8中，管式炉的升温速率为8-10℃/min，惰性气氛为高纯氮气。
本发明还提供一种空间限域离心力场调控密度的碳气凝胶，采用上述的制备方法制备得到。
实施例1
碳纳米管、表面活性剂和水的质量比为1:5:150，间苯二酚、甲醛、碳酸钠和水的质量比为1:1.5:0.001:3，混合液C和残留的固形物B的质量比为1:1，以1000r/min的转速离心10min所制备得到的碳气凝胶。
首先，将多壁碳纳米管、十二烷基苯磺酸钠和水按照质量比为1:5:150混合均匀，通过磁力搅拌2h形成混合液A；
其次，将混合液A在50℃条件下超声震荡5h后，在室温下静置3d，待固形物质从液体中完全析出沉聚于容器底部后，去除上层清液，获得下层残留的固形物B；
第三，将间苯二酚、质量分数为38％的甲醛水溶液、碳酸钠和水按照质量比为1:1.5:0.001:3混合均匀，通过磁力搅拌2h，形成混合液C；
第四，按照混合液C和残留的固形物B的质量比为1:1，将混合液C加入到残留的固形物B中，搅拌均匀，得到混合液D；
第五，将混合液D转移到容积为15ml的塑料离心管中，装载量不超过离心管容积的三分之一，在室温下静置1d，然后将离心管转移到水平转子离心机中，使离心管底部与离心机转子最大直径处紧密贴合，以1000r/min的转速离心10min，即可得到湿凝胶；
第六，将湿凝胶连同离心管放入50℃的恒温箱中，用叔丁醇浸泡洗涤5d，每1d替换一次溶剂，得到醇凝胶；
第七，将醇凝胶转移到冷冻干燥机中快速冷冻3h，待样品完全凝固后开始抽真空，抽真空时间为24h，即可得到气凝胶；
第八，将气凝胶放入管式炉中，在高纯氮气保护条件下从室温以10℃/min的升温速率加热到1050℃，维持1050℃高温4h将样品充分碳化，即可得到碳气凝胶。图2-3是本发明所制备得到的碳气凝胶的SEM图像，图4-5是本发明所制备得到的碳气凝胶的TEM图像，从图2-5上可以看到，球状纳米颗粒和管状纳米纤维交互穿插，彼此堆叠在一起，经过测量，碳气凝胶的密度约为0.25g/cm3。
实施例2
碳纳米管、表面活性剂和水的质量比为1:10:150，间苯二酚、甲醛、碳酸钠和水的质量比为1:1.5:0.001:3，混合液C和残留的固形物B的质量比为1:1，以1000r/min的转速离心10min所制备得到的碳气凝胶。
首先，将多壁碳纳米管、十二烷基苯磺酸钠和水按照质量比为1:10:150混合均匀，通过磁力搅拌1.5h形成混合液A；
其次，将混合液A在45℃条件下超声震荡6h后，在室温下静置4d，待固形物质从液体中完全析出沉聚于容器底部后，去除上层清液，获得下层残留的固形物B；
第三，将间苯二酚、质量分数为38％的甲醛水溶液、碳酸钠和水按照质量比为1:1.5:0.001:3混合均匀，通过磁力搅拌1h，形成混合液C；
第四，按照混合液C和残留的固形物B的质量比为1:2，将混合液C加入到残留的固形物B中，搅拌均匀，得到混合液D；
第五，将混合液D转移到容积为10ml的塑料离心管中，装载量不超过离心管容积的三分之一，在室温下静置2d，然后将离心管转移到水平转子离心机中，使离心管底部与离心机转子最大直径处紧密贴合，以2000r/min的转速离心8min，即可得到湿凝胶；
第六，将湿凝胶连同离心管放入45℃的恒温箱中，用叔丁醇浸泡洗涤6d，每2d替换一次溶剂，得到醇凝胶；
第七，将醇凝胶转移到冷冻干燥机中快速冷冻4h，待样品完全凝固后开始抽真空，抽真空时间为48h，即可得到气凝胶；
第八，将气凝胶放入管式炉中，在高纯氮气保护条件下从室温以8℃/min的升温速率加热到850℃，维持850℃高温3h将样品充分碳化，即可得到碳气凝胶。
实施例3
碳纳米管、表面活性剂和水的质量比为1:5:150，间苯二酚、甲醛、碳酸钠和水的质量比为1:1.5:0.01:3，混合液C和残留的固形物B的质量比为1:1，以1000r/min的转速离心10min所制备得到的碳气凝胶。
首先，将多壁碳纳米管、十二烷基苯磺酸钠和水按照质量比为1:5:150混合均匀，通过磁力搅拌1h形成混合液A；
其次，将混合液A在50℃条件下超声震荡5h后，在室温下静置3d，待固形物质从液体中完全析出沉聚于容器底部后，去除上层清液，获得下层残留的固形物B；
第三，将间苯二酚、质量分数为38％的甲醛水溶液、碳酸钠和水按照质量比为1:1.5:0.01:3混合均匀，通过磁力搅拌2h，形成混合液C；
第四，按照混合液C和残留的固形物B的质量比为1:1，将混合液C加入到残留的固形物B中，搅拌均匀，得到混合液D；
第五，将混合液D转移到容积为15ml的塑料离心管中，装载量不超过离心管容积的三分之一，在室温下静置1d，然后将离心管转移到水平转子离心机中，使离心管底部与离心机转子最大直径处紧密贴合，以1000r/min的转速离心10min，即可得到湿凝胶；
第六，将湿凝胶连同离心管放入50℃的恒温箱中，用叔丁醇浸泡洗涤5d，每1d替换一次溶剂，得到醇凝胶；
第七，将醇凝胶转移到冷冻干燥机中快速冷冻3h，待样品完全凝固后开始抽真空，抽真空时间为24h，即可得到气凝胶；
第八，将气凝胶放入管式炉中，在高纯氮气保护条件下从室温以10℃/min的升温速率加热到1000℃，维持1000℃高温4h将样品充分碳化，即可得到碳气凝胶。
实施例4
碳纳米管、表面活性剂和水的质量比为1:5:150，间苯二酚、甲醛、碳酸钠和水的质量比为1:1.5:0.001:3，混合液C和残留的固形物B的质量比为1:2，以1000r/min的转速离心10min所制备得到的碳气凝胶。
首先，将多壁碳纳米管、十二烷基苯磺酸钠和水按照质量比为1:5:150混合均匀，通过磁力搅拌2h形成混合液A；
其次，将混合液A在50℃条件下超声震荡5h后，在室温下静置3d，待固形物质从液体中完全析出沉聚于容器底部后，去除上层清液，获得下层残留的固形物B；
第三，将间苯二酚、质量分数为38％的甲醛水溶液、碳酸钠和水按照质量比为1:1.5:0.001:3混合均匀，通过磁力搅拌2h，形成混合液C；
第四，按照混合液C和残留的固形物B的质量比为1:2，将混合液C加入到残留的固形物B中，搅拌均匀，得到混合液D；
第五，将混合液D转移到容积为15ml的塑料离心管中，装载量不超过离心管容积的三分之一，在室温下静置1d，然后将离心管转移到水平转子离心机中，使离心管底部与离心机转子最大直径处紧密贴合，以4200r/min的转速离心10min，即可得到湿凝胶；
第六，将湿凝胶连同离心管放入50℃的恒温箱中，用叔丁醇浸泡洗涤5d，每1d替换一次溶剂，得到醇凝胶；
第七，将醇凝胶转移到冷冻干燥机中快速冷冻3h，待样品完全凝固后开始抽真空，抽真空时间为24h，即可得到气凝胶；
第八，将气凝胶放入管式炉中，在高纯氮气保护条件下从室温以10℃/min的升温速率加热到1000℃，维持1000℃高温4h将样品充分碳化，即可得到碳气凝胶。
实施例5
碳纳米管、表面活性剂和水的质量比为1:5:150，间苯二酚、甲醛、碳酸钠和水的质量比为1:1.5:0.001:3，混合液C和残留的固形物B的质量比为1:1，以2000r/min的转速离心10min所制备得到的碳气凝胶。
首先，将多壁碳纳米管、十二烷基苯磺酸钠和水按照质量比为1:5:150混合均匀，通过磁力搅拌2h形成混合液A；
其次，将混合液A在50℃条件下超声震荡5h后，在室温下静置3d，待固形物质从液体中完全析出沉聚于容器底部后，去除上层清液，获得下层残留的固形物B；
第三，将间苯二酚、质量分数为38％的甲醛水溶液、碳酸钠和水按照质量比为1:1.5:0.001:3混合均匀，通过磁力搅拌2h，形成混合液C；
第四，按照混合液C和残留的固形物B的质量比为1:1，将混合液C加入到残留的固形物B中，搅拌均匀，得到混合液D；
第五，将混合液D转移到容积为15ml的塑料离心管中，装载量不超过离心管容积的三分之一，在室温下静置1d，然后将离心管转移到水平转子离心机中，使离心管底部与离心机转子最大直径处紧密贴合，以2000r/min的转速离心10min，即可得到湿凝胶；
第六，将湿凝胶连同离心管放入50℃的恒温箱中，用叔丁醇浸泡洗涤5d，每1d替换一次溶剂，得到醇凝胶；
第七，将醇凝胶转移到冷冻干燥机中快速冷冻3h，待样品完全凝固后开始抽真空，抽真空时间为24h，即可得到气凝胶；
第八，将气凝胶放入管式炉中，在高纯氮气保护条件下从室温以10℃/min的升温速率加热到1050℃，维持1050℃高温4h将样品充分碳化，即可得到碳气凝胶。
实施例6
碳纳米管、表面活性剂和水的质量比为1:5:150，间苯二酚、甲醛、碳酸钠和水的质量比为1:1.5:0.001:3，混合液C和残留的固形物B的质量比为1:1，以3000r/min的转速离心10min所制备得到的碳气凝胶。
首先，将多壁碳纳米管、十二烷基苯磺酸钠和水按照质量比为1:5:150混合均匀，通过磁力搅拌2h形成混合液A；
其次，将混合液A在50℃条件下超声震荡5h后，在室温下静置3d，待固形物质从液体中完全析出沉聚于容器底部后，去除上层清液，获得下层残留的固形物B；
第三，将间苯二酚、质量分数为38％的甲醛水溶液、碳酸钠和水按照质量比为1:1.5:0.001:3混合均匀，通过磁力搅拌2h，形成混合液C；
第四，按照混合液C和残留的固形物B的质量比为1:1，将混合液C加入到残留的固形物B中，搅拌均匀，得到混合液D；
第五，将混合液D转移到容积为15ml的塑料离心管中，装载量不超过离心管容积的三分之一，在室温下静置1d，然后将离心管转移到水平转子离心机中，使离心管底部与离心机转子最大直径处紧密贴合，以3000r/min的转速离心10min，即可得到湿凝胶；
第六，将湿凝胶连同离心管放入50℃的恒温箱中，用叔丁醇浸泡洗涤5d，每1d替换一次溶剂，得到醇凝胶；
第七，将醇凝胶转移到冷冻干燥机中快速冷冻3h，待样品完全凝固后开始抽真空，抽真空时间为24h，即可得到气凝胶；
第八，将气凝胶放入管式炉中，在高纯氮气保护条件下从室温以10℃/min的升温速率加热到1050℃，维持1050℃高温4h将样品充分碳化，即可得到碳气凝胶。
实施例7
碳纳米管、表面活性剂和水的质量比为1:5:150，间苯二酚、甲醛、碳酸钠和水的质量比为1:1.5:0.001:3，混合液C和残留的固形物B的质量比为1:1，以4200r/min的转速离心10min所制备得到的碳气凝胶。
首先，将多壁碳纳米管、十二烷基苯磺酸钠和水按照质量比为1:5:150混合均匀，通过磁力搅拌2h形成混合液A；
其次，将混合液A在50℃条件下超声震荡5h后，在室温下静置3d，待固形物质从液体中完全析出沉聚于容器底部后，去除上层清液，获得下层残留的固形物B；
第三，将间苯二酚、质量分数为38％的甲醛水溶液、碳酸钠和水按照质量比为1:1.5:0.001:3混合均匀，通过磁力搅拌2h，形成混合液C；
第四，按照混合液C和残留的固形物B的质量比为1:1，将混合液C加入到残留的固形物B中，搅拌均匀，得到混合液D；
第五，将混合液D转移到容积为15ml的塑料离心管中，装载量不超过离心管容积的三分之一，在室温下静置1d，然后将离心管转移到水平转子离心机中，使离心管底部与离心机转子最大直径处紧密贴合，以4200r/min的转速离心10min，即可得到湿凝胶；
第六，将湿凝胶连同离心管放入50℃的恒温箱中，用叔丁醇浸泡洗涤5d，每1d替换一次溶剂，得到醇凝胶；
第七，将醇凝胶转移到冷冻干燥机中快速冷冻3h，待样品完全凝固后开始抽真空，抽真空时间为24h，即可得到气凝胶；
第八，将气凝胶放入管式炉中，在高纯氮气保护条件下从室温以10℃/min的升温速率加热到1050℃，维持1050℃高温4h将样品充分碳化，即可得到碳气凝胶。
实施例8
碳纳米管、表面活性剂和水的质量比为1:5:150，间苯二酚、甲醛、碳酸钠和水的质量比为1:1.5:0.001:3，混合液C和残留的固形物B的质量比为1:1，以4200r/min的转速离心5min所制备得到的碳气凝胶。
首先，将多壁碳纳米管、十二烷基苯磺酸钠和水按照质量比为1:5:150混合均匀，通过磁力搅拌2h形成混合液A；
其次，将混合液A在50℃条件下超声震荡5h后，在室温下静置3d，待固形物质从液体中完全析出沉聚于容器底部后，去除上层清液，获得下层残留的固形物B；
第三，将间苯二酚、质量分数为38％的甲醛水溶液、碳酸钠和水按照质量比为1:1.5:0.001:3混合均匀，通过磁力搅拌2h，形成混合液C；
第四，按照混合液C和残留的固形物B的质量比为1:1，将混合液C加入到残留的固形物B中，搅拌均匀，得到混合液D；
第五，将混合液D转移到容积为15ml的塑料离心管中，装载量不超过离心管容积的三分之一，在室温下静置1d，然后将离心管转移到水平转子离心机中，使离心管底部与离心机转子最大直径处紧密贴合，以4200r/min的转速离心5min，即可得到湿凝胶；
第六，将湿凝胶连同离心管放入50℃的恒温箱中，用叔丁醇浸泡洗涤5d，每1d替换一次溶剂，得到醇凝胶；
第七，将醇凝胶转移到冷冻干燥机中快速冷冻3h，待样品完全凝固后开始抽真空，抽真空时间为24h，即可得到气凝胶；
第八，将气凝胶放入管式炉中，在高纯氮气保护条件下从室温以10℃/min的升温速率加热到1050℃，维持1050℃高温4h将样品充分碳化，即可得到碳气凝胶。
Claims (10)
1.空间限域离心力场调控密度的碳气凝胶的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1，将碳纳米管、表面活性剂和水混合均匀，通过磁力搅拌1-2h形成混合液A；
步骤2，将步骤1所得的混合液A超声震荡5-6h后，在室温下静置3-4d，待固形物质从液体中完全析出沉聚于容器底部后，去除上层清液，获得下层残留的固形物B；
步骤3，将间苯二酚、甲醛水溶液、碳酸钠和水混合均匀，通过磁力搅拌1-2h，形成混合液C；
步骤4，将步骤3所得的混合液C加入到步骤2所得的残留的固形物B中，搅拌均匀，得到混合液D；
步骤5，将步骤4所得的混合液D转移到塑料离心管中，装载量不超过离心管容积的三分之一，在室温下静置1-2d，然后离心处理，即可得到湿凝胶。
步骤6，将步骤5所得的湿凝胶连同离心管放入恒温箱中，用叔丁醇浸泡洗涤5-6d，每1-2d替换一次溶剂，得到醇凝胶；
步骤7，将步骤6所得的醇凝胶进行冷冻干燥处理，即可得到气凝胶；
步骤8，将步骤7中的气凝胶放入管式炉中，在惰性气氛保护条件下从室温加热到850-1050℃，维持850-1050℃高温3-4h将样品充分碳化，即可得到碳气凝胶。
2.根据权利要求1所述的空间限域离心力场调控密度的碳气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤1中，碳纳米管是多壁碳纳米管，表面活性剂是十二烷基苯磺酸钠，碳纳米管、表面活性剂和水的质量比为1:5-10:150。
3.根据权利要求1所述的空间限域离心力场调控密度的碳气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤2中，超声震荡设置的温度为45-50℃。
4.根据权利要求1所述的空间限域离心力场调控密度的碳气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤3中，甲醛水溶液为质量分数为38％的甲醛水溶液，间苯二酚、甲醛水溶液、碳酸钠和水的质量比为1:1.5:0.001-0.01:3。
5.根据权利要求1所述的空间限域离心力场调控密度的碳气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤4中，混合液C和残留的固形物B的质量比为1:1-2。
6.根据权利要求1所述的空间限域离心力场调控密度的碳气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤5中，所用到的离心管容积为10-15ml，离心机的转速为1000-4200r/min，离心时间为5-10min。
7.根据权利要求1所述的空间限域离心力场调控密度的碳气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤6中，恒温箱的温度设置为45-50℃。
8.根据权利要求1所述的空间限域离心力场调控密度的碳气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤7中，在冷冻干燥机中快速冷冻时间为3-4h，冷冻干燥为抽真空冷冻干燥，冷冻干燥的时间为24-48h。
9.根据权利要求1所述的空间限域离心力场调控密度的碳气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤8中，管式炉的升温速率为8-10℃/min，惰性气氛为高纯氮气。
10.空间限域离心力场调控密度的碳气凝胶，其特征在于，采用如权利要求1-9任意一项所述的制备方法制备得到。
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- 2022-01-11 CN CN202210028618.3A patent/CN114455564A/zh active Pending
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