專利名稱：一種新型碳海綿的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及一種新型的碳海綿的制備方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著微型化、便攜式電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，基于超級電容器和電池的超薄、柔性儲能器件受到越來越廣泛的關(guān)注。組裝該類高性能的柔性儲能器件需要三維柔性電極材料。三維柔性碳電極是最佳的選擇，主要因為其惰性的化學(xué)特征，而且可以用于幾乎所有的電解質(zhì)體系。目前文獻報道的三維柔性碳電極主要是基于碳納米材料，如碳納米管和石墨烯等，可采用以下兩種方法制備(I)直接氣相沉積組裝，如陣列碳納米管(Cao，A.;Dickrellj P. L ; Sawyer, W. G. ; Ghasemi-Nejhadj Μ. N. ; Ajayanj P. Μ. ,. Science2005，310，1307. Xiong, W. ; Duj F. ; Liuj Y. ; Perez, A. ; Suppj M. ; RamakrishnanjT. S. ; Daij L M. ; Jiang, L· ” J· Am· Chem. Soc. 2010，132，15839·)，碳納米·管海綿(Gui，X. C. ; Weij J. Q. ; Wang, K. L ; Caoj A. Y. ; Zhuj H. W. ; Jiaj Y.;Shuj Q. K. ; Wuj D. H.，Carbon Nanotube Sponges. Adv. Mater. 2010, 22，617)，三維柔性石墨烯網(wǎng)絡(luò)(Chen，Ζ· ; Renj W. ; Gaoj L ; Liuj B. ; Peij S. ; Cheng, Η· _M.，NatMater 2011，10，424)，飛行石墨(Mecklenburg，M. ; Schuchardtj A. ; Mishraj Y. K.;Kapsj S. ; Adelungj R. ; Lotnykj A. ; Kienlej L ; Schulte, K.，Adv. Mater. 2012，24，3486)，以及它們通過浸入與聚合物形成的復(fù)合三維電極等(Lee，S. H. ; Kimj H. W.;Hwang, J. O. ; Lee, W. J. ; Kwonj J. ; Bielawskij C. W. ; Ruoffj R. S. ; Kimj S. O.，Angew. Chem. Ed. 2010，49，10084) ; (2)在聚合物基體上吸附碳納米管，包括紙、海綿和織物等(Xie，X. ; Yej Μ. ; Huj L ; Liuj N. ; McDonough, J. R. ; Chen, W. ; AlshareefjH. N. ; Criddlej C. S.; Cuij Y.，Energy Environ. Sc!. 2012，5，5265. Xiej X.;Yuj G. ; Liuj N. ; Baoj Z. ; Criddlej C. S. ; Cuij Y.，Energy Environ. ScL 2012，5，6862. Xiej X. ; Huj L ; Pasta, M. ; Wells, G. F. ; Kong, D. ; Criddlej C. S.;Cuij Y.，Nano Letters 2011，11，291-296. Jostj K. ; Perez, C. R. ; McDonough, J.K. ; Presserj V. ; Heonj M. ; Dion, G. ; Gogotsij Y., Energy Environ. ScL 2011，4，5060. )0

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種碳海綿及其制備的方法，該碳海綿是采用直接高溫碳化三聚氰胺-甲醛樹脂泡沫材料的方法制備。該方法將具有制備簡單、成本低等優(yōu)點。本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種碳海綿的制備方法，其特征在于方法為以三聚氰胺-甲醛樹脂泡沫材料為原料，在惰性氣氛保護下或真空條件下，直接高溫碳化而成；碳海綿的孔隙度控制是采用機械壓縮三聚氰胺-甲醛樹脂泡沫材料來實現(xiàn)。所述的原料三聚氰胺-甲醛樹脂泡沫材料具有以下結(jié)構(gòu)特征開孔的、密度范圍為4-12 kgV3，孔隙度大于95%。
所述的控制碳海綿的孔隙度的方法是機械壓縮三聚氰胺-甲醛樹脂泡沫材料，即在高溫碳化過程中，給樹脂泡沫材料施加一定機械力。泡沫被壓縮的體積百分比范圍為0-90%ο所述的直接高溫碳化，其過程是將三聚氰胺-甲醛樹脂泡沫置于爐體中，在惰性氣體氮氣或氬氣的保護下，以2-20 ° C/min的速度加熱到800-1800 ° C。本發(fā)明的技術(shù)效果是穩(wěn)定的三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、較好的彈性、可控的孔隙度和密度以及較好的導(dǎo)電性。同時，該碳海綿還具有超輸水，但是超親油性，其可以吸附相當于自身重量的130倍的潤滑油。因此，該碳海綿將可廣泛用于作為柔性電極，催化劑載體，有機物吸附、油污去除、高溫過濾和細胞生長等。


圖I為碳海綿及其內(nèi)部掃描電子顯微鏡圖片。圖2為碳海綿壓縮80%的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及回彈應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。圖3為不同溫度制備的碳海綿的Raman光譜圖。圖4為分別放入油(左圖)和水(右圖)中的碳海綿。
具體實施方式
實施方式
I、孔隙度為99%的碳海綿的制備
將一定尺寸的的三聚氰胺-甲醛樹脂泡沫(密度為8 mg/m3，孔隙度為99%)，放在平板上，置于高溫電爐中，在氮氣的保護下加熱到800° C，得到孔隙度為99%的碳海綿。2、孔隙度為98. 5%的碳海綿的制備
將一定尺寸的的三聚氰胺-甲醛樹脂泡沫(密度為8 mg/m3，孔隙度為99%)，放在平板上；在泡沫的上方放置一塊平板，并施加一壓力，將泡沫壓縮至原來體積的80%，并置于高溫電爐中，在氮氣的保護下加熱到800° C，得到孔隙度約為98. 5%的碳海綿。3、孔隙度為98%的碳海綿的制備
將一定尺寸的的三聚氰胺-甲醛樹脂泡沫(密度為8 mg/m3，孔隙度為99%)，放在平板上；在泡沫的上方放置一塊平板，并施加一壓力，將泡沫壓縮至原來體積的50% ;將其置于高溫電爐中，在氮氣的保護下加熱到800° C，得到孔隙度約為98%的碳海綿。4、孔隙度為99.9 %的碳海綿的制備
將一定尺寸的的三聚氰胺-甲醛樹脂泡沫(密度為8 mg/m3，孔隙度為99%)，放在平板上，置于高溫電爐中，在氮氣的保護下加熱到1800° C，得到孔隙度約為99. 9%的碳海綿。5.所制備的碳海綿具有以下特點
1)穩(wěn)定的三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(其三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖見圖I)；
2)較好的彈性；(碳海綿的壓縮和回彈應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖2)；
3)可控的孔隙度和密度；
4)較好的導(dǎo)電性；
5)超疏水和超親油性(碳海綿的親油和疏水圖片見圖4)。圖3為不同溫度制備的碳海綿的Raman光譜，因此，該碳海綿將可廣泛用于作為柔性電極，催化劑載體，有機物吸附、油污 去除、高溫過濾和細胞生長等。
權(quán)利要求
1.一種新型碳海綿的制備方法，其特征在于方法為以三聚氰胺-甲醛樹脂泡沫材料為原料，在惰性氣氛或真空條件下直接高溫碳化而成；碳海綿的孔隙度控制是通過機械壓縮三聚氰胺-甲醛樹脂泡沫材料來實現(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種碳海綿的制備方法，其特征是所述的原料三聚氰胺-甲醛樹脂泡沫材料具有以下結(jié)構(gòu)特征開孔的、密度范圍為4-12 kg/m3，孔隙度大于95%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種新型碳海綿的制備方法，其特征是所述的碳海綿的孔隙度的控制是采用機械壓縮三聚氰胺-甲醛樹脂泡沫材料來實現(xiàn)，即在高溫碳化過程中，給三聚氰胺-甲醛樹脂樹脂泡沫材料施加一定機械壓縮力；泡沫被壓縮的體積百分比范圍控制為0-90%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種新型碳海綿的制備方法，其特征是所述的直接高溫碳化，其過程是將三聚氰胺-甲醛樹脂泡沫置于爐體中，在惰性氣體氮氣或氬氣的保護下或真空條件下，以2-20 ° C/min的速度加熱到800-1800 ° C，并停留30-200分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種新型碳海綿的制備方法，其特征是所述的碳海綿具有以下特征 穩(wěn)定的三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)； 良好的彈性； 可控的孔隙度，孔隙度范圍95-99. 9%； 可控的密度，密度范圍3-100 mg/cm3 ； 可控的導(dǎo)電性，導(dǎo)電率范圍0. 1-30 s/cm ； 超疏水和超親油性。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型碳海綿的制備方法，該碳海綿是采用直接高溫碳化聚合物泡沫材料制備。碳海綿的孔隙度可通過控制聚合物泡沫材料的孔隙度來調(diào)控。所制備的碳海綿具有以下特點穩(wěn)定的三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、較好的彈性、可控的孔隙度和密度以及較好的導(dǎo)電性。同時，該碳海綿還具有超輸水，但是超親油性。因此，該碳海綿將可廣泛用于作為柔性電極，催化劑載體，有機物吸附、油污去除、高溫過濾和細胞生長等。同時，該方法具有低成本、易于工業(yè)化等優(yōu)點。
文檔編號C01B31/02GK102874792SQ20121040489
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月23日
發(fā)明者陳水亮, 侯豪情, 賀光華 申請人:江西師范大學(xué)