专利名称：一种新型碳海绵的制备方法
技术领域：
本发明专利涉及一种新型的碳海绵的制备方法。
背景技术：
近年来，随着微型化、便携式电子产品的迅猛发展，基于超级电容器和电池的超薄、柔性储能器件受到越来越广泛的关注。组装该类高性能的柔性储能器件需要三维柔性电极材料。三维柔性碳电极是最佳的选择，主要因为其惰性的化学特征，而且可以用于几乎所有的电解质体系。目前文献报道的三维柔性碳电极主要是基于碳纳米材料，如碳纳米管和石墨烯等，可采用以下两种方法制备(I)直接气相沉积组装，如阵列碳纳米管(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·)，碳纳米·管海绵(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)，三维柔性石墨烯网络(Chen，Ζ· ; Renj W. ; Gaoj L ; Liuj B. ; Peij S. ; Cheng, Η· _M.，NatMater 2011，10，424)，飞行石墨(Mecklenburg，M. ; Schuchardtj A. ; Mishraj Y. K.;Kapsj S. ; Adelungj R. ; Lotnykj A. ; Kienlej L ; Schulte, K.，Adv. Mater. 2012，24，3486)，以及它们通过浸入与聚合物形成的复合三维电极等(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)在聚合物基体上吸附碳纳米管，包括纸、海绵和织物等(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
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳海绵及其制备的方法，该碳海绵是采用直接高温碳化三聚氰胺-甲醛树脂泡沫材料的方法制备。该方法将具有制备简单、成本低等优点。本发明是这样实现的，一种碳海绵的制备方法，其特征在于方法为以三聚氰胺-甲醛树脂泡沫材料为原料，在惰性气氛保护下或真空条件下，直接高温碳化而成；碳海绵的孔隙度控制是采用机械压缩三聚氰胺-甲醛树脂泡沫材料来实现。所述的原料三聚氰胺-甲醛树脂泡沫材料具有以下结构特征开孔的、密度范围为4-12 kgV3，孔隙度大于95%。
所述的控制碳海绵的孔隙度的方法是机械压缩三聚氰胺-甲醛树脂泡沫材料，即在高温碳化过程中，给树脂泡沫材料施加一定机械力。泡沫被压缩的体积百分比范围为0-90%ο所述的直接高温碳化，其过程是将三聚氰胺-甲醛树脂泡沫置于炉体中，在惰性气体氮气或氩气的保护下，以2-20 ° C/min的速度加热到800-1800 ° C。本发明的技术效果是稳定的三维多孔网络结构、较好的弹性、可控的孔隙度和密度以及较好的导电性。同时，该碳海绵还具有超输水，但是超亲油性，其可以吸附相当于自身重量的130倍的润滑油。因此，该碳海绵将可广泛用于作为柔性电极，催化剂载体，有机物吸附、油污去除、高温过滤和细胞生长等。
图I为碳海绵及其内部扫描电子显微镜图片。图2为碳海绵压缩80%的应力-应变曲线以及回弹应力-应变曲线图。图3为不同温度制备的碳海绵的Raman光谱图。图4为分别放入油(左图)和水(右图)中的碳海绵。
具体实施方式
实施方式
I、孔隙度为99%的碳海绵的制备
将一定尺寸的的三聚氰胺-甲醛树脂泡沫(密度为8 mg/m3，孔隙度为99%)，放在平板上，置于高温电炉中，在氮气的保护下加热到800° C，得到孔隙度为99%的碳海绵。2、孔隙度为98. 5%的碳海绵的制备
将一定尺寸的的三聚氰胺-甲醛树脂泡沫(密度为8 mg/m3，孔隙度为99%)，放在平板上；在泡沫的上方放置一块平板，并施加一压力，将泡沫压缩至原来体积的80%，并置于高温电炉中，在氮气的保护下加热到800° C，得到孔隙度约为98. 5%的碳海绵。3、孔隙度为98%的碳海绵的制备
将一定尺寸的的三聚氰胺-甲醛树脂泡沫(密度为8 mg/m3，孔隙度为99%)，放在平板上；在泡沫的上方放置一块平板，并施加一压力，将泡沫压缩至原来体积的50% ;将其置于高温电炉中，在氮气的保护下加热到800° C，得到孔隙度约为98%的碳海绵。4、孔隙度为99.9 %的碳海绵的制备
将一定尺寸的的三聚氰胺-甲醛树脂泡沫(密度为8 mg/m3，孔隙度为99%)，放在平板上，置于高温电炉中，在氮气的保护下加热到1800° C，得到孔隙度约为99. 9%的碳海绵。5.所制备的碳海绵具有以下特点
1)稳定的三维多孔网络结构(其三维网络结构图见图I)；
2)较好的弹性；(碳海绵的压缩和回弹应力-应变曲线见图2)；
3)可控的孔隙度和密度；
4)较好的导电性；
5)超疏水和超亲油性(碳海绵的亲油和疏水图片见图4)。图3为不同温度制备的碳海绵的Raman光谱，因此，该碳海绵将可广泛用于作为柔性电极，催化剂载体，有机物吸附、油污 去除、高温过滤和细胞生长等。
权利要求
1.一种新型碳海绵的制备方法，其特征在于方法为以三聚氰胺-甲醛树脂泡沫材料为原料，在惰性气氛或真空条件下直接高温碳化而成；碳海绵的孔隙度控制是通过机械压缩三聚氰胺-甲醛树脂泡沫材料来实现。
2.根据权利要求I所述的一种碳海绵的制备方法，其特征是所述的原料三聚氰胺-甲醛树脂泡沫材料具有以下结构特征开孔的、密度范围为4-12 kg/m3，孔隙度大于95%。
3.根据权利要求I所述的一种新型碳海绵的制备方法，其特征是所述的碳海绵的孔隙度的控制是采用机械压缩三聚氰胺-甲醛树脂泡沫材料来实现，即在高温碳化过程中，给三聚氰胺-甲醛树脂树脂泡沫材料施加一定机械压缩力；泡沫被压缩的体积百分比范围控制为0-90%。
4.根据权利要求I所述的一种新型碳海绵的制备方法，其特征是所述的直接高温碳化，其过程是将三聚氰胺-甲醛树脂泡沫置于炉体中，在惰性气体氮气或氩气的保护下或真空条件下，以2-20 ° C/min的速度加热到800-1800 ° C，并停留30-200分钟。
5.根据权利要求I所述的一种新型碳海绵的制备方法，其特征是所述的碳海绵具有以下特征 稳定的三维多孔网络结构； 良好的弹性； 可控的孔隙度，孔隙度范围95-99. 9%； 可控的密度，密度范围3-100 mg/cm3 ； 可控的导电性，导电率范围0. 1-30 s/cm ； 超疏水和超亲油性。
全文摘要
本发明公开了一种新型碳海绵的制备方法，该碳海绵是采用直接高温碳化聚合物泡沫材料制备。碳海绵的孔隙度可通过控制聚合物泡沫材料的孔隙度来调控。所制备的碳海绵具有以下特点稳定的三维多孔网络结构、较好的弹性、可控的孔隙度和密度以及较好的导电性。同时，该碳海绵还具有超输水，但是超亲油性。因此，该碳海绵将可广泛用于作为柔性电极，催化剂载体，有机物吸附、油污去除、高温过滤和细胞生长等。同时，该方法具有低成本、易于工业化等优点。
文档编号C01B31/02GK102874792SQ20121040489
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月23日 优先权日2012年10月23日
发明者陈水亮, 侯豪情, 贺光华 申请人:江西师范大学