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一文了解碳气凝胶制备工艺及应用

bwin888 www.ribenwenhua.com 发布者:管理员 发布时间:2018-12-22 浏览次数:52

  碳气凝胶作为一种新型轻质纳米多孔无定形炭素材料,具有比表面积高、质量密度低、纳米级连续孔隙、纳米级骨架碳微粒以及非晶态的结构等特性,在力学、声学、电学、热学以及光学等领域具有广阔的应用价值。

碳气凝胶制备工艺流程分为溶胶-凝胶过程、溶剂置换及干燥、炭化、活化处理等步骤。

 

(一)溶胶-凝胶过程
碳气凝胶合成过程中溶胶-凝胶法是其关键一步。碳气凝胶的三维结构形成于溶胶-凝胶过程,随后的酸交联老化、溶剂交换、超临界干燥和炭化过程主要是为了保持碳气凝胶的三维网络结构不被破坏。能够经过炭化保持气凝胶结构的前驱体,首先必须具有热固性(即具有交联结构),否则炭化将破坏凝胶结构。溶胶-凝胶聚合过程直接影响相分离过程,从而影响最终的凝胶结构。

(二)溶剂置换及干燥
碳凝胶形成后要进行溶剂置换,以避免其在后续干燥过程中因收缩而造成结构坍塌。置换时使用的溶剂一般为非水溶剂(甲醇、乙醇、异丙醇和丙酮等),反复多次,直至将无机溶剂置换完全。溶剂置换后,对有机凝胶进行干燥处理,常见的干燥方法有常压干燥、冷冻干燥、超临界干燥三种,相对应的干燥产物分别为干凝胶、冷凝胶和气凝胶。

(三)炭化
气凝胶的炭化,需要将干燥完的气凝胶在惰性气氛或真空条件下进行高温煅烧,以除去其中的含氧、含氢官能团,使之转化成相对应的碳气凝胶。炭化过程中需要严格控制炭化温度、升温速率、炭化时间等条件。

(四)活化处理
碳气凝胶活化处理可以优化其孔结构和表面形貌,改善其性能,从而满足特定的应用需求。目前,常用的活化方法有物理活化(一般为CO2活化)和化学活化(一般为KOH活化)两种。CO2活化可以保持碳气凝胶微球的中孔结构,有利于离子或电子在其内部进出传输;而KOH活化则有利于碳气凝胶微孔的形成,可以增大其电化学活化表面积。两种活化方法均能有效地提高碳气凝胶的电化学性能,活化后的碳气凝胶比容量最高可为活化前的3倍。

(五)碳气凝胶应用

燃料电池电催化剂载体或电催化剂
碳气凝胶及其复合材料因具有比表面积大、电化学性能稳定以及导电性等特点,在燃料电池中主要被作为电催化剂的载体或直接作为电催化剂。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所制备了石墨烯交联的碳空心球气凝胶,将其作为电极材料应用在U型热电化学池上,电池的输出功率高达1.05W?m-2,相对卡诺循环的能量转化效率高达1.4%,这些数值远高于目前同类型器件的数值。
(六)用于锂离子电池电极材料
目前,碳气凝胶在锂离子电池中的应用主要集中在两个方面:一是作为锂离子电池的导电剂;二是作为锂离子电池的电极材料。中国科学技术bwin888登陆俞书宏教授课题组制备了酚醛基碳气凝胶,用作Li电池负极材料,不仅拥有高的比容量和高体积容量密度,而且拥有优异的循环稳定性,远远高于传统的硬碳电极材料。

(七)超级电容器
碳气凝胶因具有高比表面积、高孔隙率、高电导率等特点而成为超级电容器的理想电极材料。目前,Powersotr公司以碳气凝胶为电极材料,使用有机电解质制得的超级电容器,电压为3V,容量为7.5F,已实现产业化。

 

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