可导电的气凝胶薄片及其制备方法

1.本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种可导电的气凝胶薄片，还涉及一种可导电的气凝胶薄片的制备方法。


背景技术：

2.气凝胶具有特殊的多孔、分形结构，其物理化学性质明显区别于相同材质的密实固体，同时气凝胶的材质具有丰富的多样性。近年来，气凝胶在基础研究、军事和民用领域都有着广泛且极具潜力的应用价值。
3.传统的二氧化硅气凝胶和有机气凝胶几乎都不能导电，而碳气凝胶具有优异的电化学性能，因而是制备双电层电容器理想的电极材料，其具极高的比表面积，因此可用作催化剂载体和储氢材料等。然而，通常情况下制备出来的碳气凝胶为块体或者粉体，需要复合添加剂才能使用，而薄片状的碳气凝胶兼具高孔隙率和导电特性，能够自支撑，同时也具有一定的韧性，可直接作为电极使用。
4.陈庆等人(国家发明专利公开号：cn112802999a)公开了一种二氧化硅气凝胶复合锂电池硅负极及制备方法。包括如下制备过程：(1)将二氧化硅气凝胶薄片在加热器中层层间隔叠放；(2)将高纯硅烷和高纯氩气的混合气体通过加热器，15～20min后升温，保温保压60～120min后停止加入混合气体，继续保温30～40min后将气源更换为有机碳源，30～40min后关闭气源，升温碳化，得到二氧化硅气凝胶复合锂电池硅负极。
5.卡亚尼
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巴加图尔等人(国家发明专利公开号：cn102781570a)公开了一种用于反应器的基于碳的容纳系统，其包括：a)隔离段，其包括至少一个隔离层；及b)屏蔽段，其包括至少一个屏蔽层，其中所述至少一个隔离层包括碳纤维刚性板、碳纤维刚化毡、碳纤维柔性毡、柔性石墨毡、刚性－柔性混合板、泡沫碳薄片、碳气凝胶薄片或其任何组合，以及其中所述至少一个屏蔽层包括石墨板、碳纤维复合物、碳纤维刚性板、碳纤维刚化毡、刚性-柔性混合板或其组合。
6.周杰等人(国家发明专利公开号：cn109904010a)公开了一种耐高低温的凝胶电解质超级电容器及其制备方法，具体步骤包括：将前驱体混合均匀，再依次进行低温导向和紫外引发聚合制备得到具有导向结构的水凝胶，再经过冷冻干燥可以制备得到具有树孔结构的气凝胶，最后浸泡得到高浓度无机盐可再次得到水凝胶，最后将自制的工作电极与上述的凝胶以三明治结构组装得到对称超级电容器。
7.陈庆等人(国家发明专利公开号：cn109860631a)公开了一种柔韧性气凝胶基燃料电池碳纸及制备方法。该方法以导电碳材料、甲基三乙氧基硅烷、植物纤维、乙醇、水、氨水为原料，在酸性条件下制得湿凝胶，然后与无机纤维、聚乙烯醇、增塑剂、碳酸氢钠混炼塑化后制成薄片，最后干燥，制得柔韧性气凝胶基燃料电池碳纸。
8.陈庆等人(国家发明专利公开号：cn107123731a)公开了一种通过收集噪音发电的压电陶瓷片及制备方法。本发明将压电材料涂覆在钢片表面，预制成薄片，以钢片作为刚性支撑和电极材料，高温固化后形成压电陶瓷片，然后将二氧化硅溶胶涂敷于压电陶瓷表面，
进一步在超临界条件下干燥，使压电薄片表面形成多孔网状的吸声气凝胶层，进一步烧结形成能够收集噪音发电的压电陶瓷片。
9.张亚男等人(国家发明专利公开号：cn105836857a)公开了一种高{001}晶面暴露比例的纳米级tio2/碳气凝胶电极及其制备方法和应用，制备方法以碳气凝胶为基底，在分散有高{001}晶面暴露比例的纳米级tio2薄片和碘单质的丙酮溶液形成的电泳沉积液中，通过电泳沉积法制得高{001}晶面暴露比例的纳米级tio2/碳气凝胶电极；制备得到的电极包括碳气凝胶基底，碳气凝胶基底表面及孔道内负载有高{001}晶面暴露比例的纳米级tio2薄片；该电极可应用于光电催化氧化降解废水中的双酚a。
10.然而，如何利用简便的手段制备可导电的气凝胶薄片，仍然是一个挑战。


技术实现要素：

11.本发明的目的是提供一种可导电的气凝胶薄片，该气凝胶薄片兼具高孔隙率和导电特性。
12.本发明的另一个目的是提供一种可导电的气凝胶薄片的制备方法，该方法简单易行。
13.本发明所采用的第一个技术方案是，可导电的气凝胶薄片的制备方法，具体包括如下步骤：
14.步骤1，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；
15.步骤2，将步骤1所得的混合液转移到恒温箱中静置1-2d，得到溶胶；
16.步骤3，将玻璃模具用稀氨水洗涤浸泡，再用去离子水冲洗干净后烘干得到亲水性的玻璃模具；
17.步骤4，将步骤2所得溶胶灌注到步骤3所得到的亲水性的玻璃模具中并充满容器，盖上亲水性的玻璃盖子，密封好放入恒温箱中静置，即可得到湿凝胶；
18.步骤5，将步骤所得的湿凝胶用无水乙醇浸泡洗涤，得到醇凝胶；
19.步骤6，将步骤5所得到的醇凝胶进行二氧化碳超临界干燥，即可得到有机气凝胶；
20.步骤7，将步骤6所得有机气凝胶放到石英模具中，连同石英模具放入管式炉中，进一步进行惰性气氛保护高温处理以除去样品中残留的有机物，即可得到可导电的气凝胶薄片。
21.本发明的特征还在于，
22.步骤1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1:1.5:0.001-0.01:1-10。
23.步骤2中，恒温箱的温度为45-50℃。
24.步骤3中，稀氨水的浓度为0.5-1m，浸泡时间为12-24h。
25.步骤4中，恒温箱的温度为45-50℃。
26.步骤5中，用无水乙醇浸泡洗涤3-4d，每1d替换一次溶剂。
27.步骤6中，超临界干燥的温度设置为40-42℃，气压设置为10-11mpa，升温速率设置为0.5-1℃/min，恒温时间为3-4h，减压速率为1-3mpa/h。
28.步骤7中，石英模具由两片相同尺寸的石英板和两片相同尺寸的石英垫片构成，热
处理温度为850-1050℃，惰性气氛为高纯氮气，升温速率为8-10℃/min，恒温时间为3-4h。
29.本发明所采用的第二个技术方案是，可导电的气凝胶薄片，其特征在于，采用如上述的制备方法制备得到。
30.本发明的有益效果是：
31.(1)本发明涉及的方法简单易行，制备设备便宜易得，是制备双电层电容器理想的电极材料，其具极高的比表面积，因此可用作催化剂载体和储氢材料等。
32.(2)本发明制备的薄片状的碳气凝胶兼具高孔隙率和导电特性，能够自支撑，同时也具有一定的韧性，可直接作为电极使用。
附图说明
33.图1是本发明制备方法的流程图；
34.图2是本发明实施例1制备得到的一种可导电的气凝胶薄片的外观照片(标尺为10mm)；
35.图3是本发明实施例1制备得到的一种可导电的气凝胶薄片横断面的sem图像(标尺为20μm)；
36.图4是本发明实施例1制备得到的一种可导电的气凝胶薄片一个部位横断面的sem图像(标尺为500nm)
37.图5是本发明实施例1制备得到的一种可导电的气凝胶薄片另一个部位横断面的sem图像(标尺为500nm)。
具体实施方式
38.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
39.本发明提供本发明提供一种可导电的气凝胶薄片的制备方法，如图1所示，具体包括如下步骤：
40.步骤1，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；
41.步骤2，将步骤1所得的混合液转移到恒温箱中静置1-2d，得到溶胶；
42.步骤3，将玻璃模具用稀氨水洗涤浸泡，再用去离子水冲洗干净后烘干得到亲水性的玻璃模具；
43.步骤4，将步骤2所得溶胶灌注到步骤3所得到的亲水性的玻璃模具中并充满容器，盖上亲水性的玻璃盖子，密封好放入恒温箱中静置，即可得到湿凝胶；
44.步骤5，将步骤所得的湿凝胶用无水乙醇浸泡洗涤，得到醇凝胶；
45.步骤6，将步骤5所得到的醇凝胶进行二氧化碳超临界干燥，即可得到有机气凝胶；
46.步骤7，将步骤6所得有机气凝胶放到石英模具中，连同石英模具放入管式炉中，进一步进行惰性气氛保护高温处理以除去样品中残留的有机物，即可得到一种可导电的气凝胶薄片。
47.步骤1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1:1.5:0.001-0.01:1-10；
48.步骤2中，恒温箱的温度为45-50℃。
49.步骤3中，稀氨水的浓度为0.5-1m，浸泡时间为12-24h。
50.步骤4中，恒温箱的温度为45-50℃。
51.步骤5中，用无水乙醇浸泡洗涤3-4d，每1d替换一次溶剂。
52.步骤6中，超临界干燥的温度设置为40-42℃，气压设置为10-11mpa，升温速率设置为0.5-1℃/min，恒温时间为3-4h，减压速率为1-3mpa/h。
53.步骤7中，石英模具由两片相同尺寸的石英板和两片相同尺寸的石英垫片构成，石英板的长度为30-50mm，宽度为10-20mm，厚度为2mm，石英垫片的长度为10mm，宽度为10mm，厚度为100-500μm，热处理温度为850-1050℃，惰性气氛为高纯氮气，升温速率为8-10℃/min，恒温时间为3-4h。
54.本发明还提供一种可导电的气凝胶薄片，采用上述的制备方法制备得到。
55.实施例1
56.厚度约为100μm的可导电的气凝胶薄片。
57.首先，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1:1.5:0.002:2混合均匀，通过磁力搅拌2h，形成混合液；
58.第二，将混合液转移到50℃恒温箱中静置1d，得到溶胶；
59.第三，将玻璃模具用浓度为0.5m的稀氨水浸泡24h，再用去离子水冲洗干净后烘干得到亲水性的玻璃模具；
60.第四，将步骤2所得溶胶灌注到步骤3所得到的亲水性的玻璃模具中并充满容器，盖上亲水性的玻璃盖子，密封好放入50℃恒温箱中静置2d，即可得到水凝胶；
61.第五，将水凝胶用无水乙醇浸泡洗涤3d，每1d替换一次溶剂，得到醇凝胶；
62.第六，将醇凝胶进行二氧化碳超临界干燥，超临界干燥的温度设置为40℃，气压设置为10mpa，升温速率设置为1℃/min，恒温时间为4h，减压速率为3mpa/h，经过干燥即可得到有机气凝胶；
63.最后，将所得有机气凝胶放到石英模具中，石英模具由两片相同尺寸的石英板和两片相同尺寸的石英垫片构成，石英板的长度为50mm，宽度为10mm，厚度为2mm，石英垫片的长度为10mm，宽度为10mm，厚度为100μm，连同石英模具放入管式炉中，进一步进行惰性气氛保护高温处理以除去样品中残留的有机物，热处理温度为850℃，惰性气氛为高纯氮气，升温速率为8℃/min，恒温时间为3h，即可得到一种可导电的气凝胶薄片，经检测其导电率为2s/m。图2是本发明实施例1制备得到的一种可导电的气凝胶薄片的外观照片，图3-5是本发明实施例1制备得到的一种可导电的气凝胶薄片横断面的sem图像，从图中可以看到，所制备的一种可导电的气凝胶薄片平整度好，兼具高孔隙率，整体呈现黑色，能够自支撑，同时也具有一定的韧性，可直接作为电极使用。
64.实施例2
65.厚度约为150μm的可导电的气凝胶薄片。
66.首先，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1:1.5:0.001:1混合均匀，通过磁力搅拌2h，形成混合液；
67.第二，将混合液转移到50℃恒温箱中静置1d，得到溶胶；
68.第三，将玻璃模具用浓度为0.5m的稀氨水浸泡24h，再用去离子水冲洗干净后烘干得到亲水性的玻璃模具；
69.第四，将步骤2所得溶胶灌注到步骤3所得到的亲水性的玻璃模具中并充满容器，盖上亲水性的玻璃盖子，密封好放入50℃恒温箱中静置2d，即可得到水凝胶；
70.第五，将水凝胶用无水乙醇浸泡洗涤4d，每1d替换一次溶剂，得到醇凝胶；
71.第六，将醇凝胶进行二氧化碳超临界干燥，超临界干燥的温度设置为40℃，气压设置为10mpa，升温速率设置为1℃/min，恒温时间为4h，减压速率为3mpa/h，经过干燥即可得到有机气凝胶；
72.最后，将所得有机气凝胶放到石英模具中，石英模具由两片相同尺寸的石英板和两片相同尺寸的石英垫片构成，石英板的长度为50mm，宽度为10mm，厚度为2mm，石英垫片的长度为10mm，宽度为10mm，厚度为150μm，连同石英模具放入管式炉中，进一步进行惰性气氛保护高温处理以除去样品中残留的有机物，热处理温度为1050℃，惰性气氛为高纯氮气，升温速率为10℃/min，恒温时间为4h，即可得到一种可导电的气凝胶薄片，经检测其导电率为3s/m。
73.实施例3
74.厚度约为200μm的可导电的气凝胶薄片。
75.首先，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1:1.5:0.01:10混合均匀，通过磁力搅拌2h，形成混合液；
76.第二，将混合液转移到45℃恒温箱中静置1d，得到溶胶；
77.第三，将玻璃模具用浓度为1m的稀氨水浸泡12h，再用去离子水冲洗干净后烘干得到亲水性的玻璃模具；
78.第四，将步骤2所得溶胶灌注到步骤3所得到的亲水性的玻璃模具中并充满容器，盖上亲水性的玻璃盖子，密封好放入45℃恒温箱中静置2d，即可得到水凝胶；
79.第五，将水凝胶用无水乙醇浸泡洗涤4d，每1d替换一次溶剂，得到醇凝胶；
80.第六，将醇凝胶进行二氧化碳超临界干燥，超临界干燥的温度设置为42℃，气压设置为11mpa，升温速率设置为0.5℃/min，恒温时间为3h，减压速率为1mpa/h，经过干燥即可得到有机气凝胶；
81.最后，将所得有机气凝胶放到石英模具中，石英模具由两片相同尺寸的石英板和两片相同尺寸的石英垫片构成，石英板的长度为50mm，宽度为10mm，厚度为2mm，石英垫片的长度为10mm，宽度为10mm，厚度为200μm，连同石英模具放入管式炉中，进一步进行惰性气氛保护高温处理以除去样品中残留的有机物，热处理温度为1050℃，惰性气氛为高纯氮气，升温速率为10℃/min，恒温时间为4h，即可得到一种可导电的气凝胶薄片，经检测其导电率为3.5s/m。
82.实施例4
83.厚度约为250μm的可导电的气凝胶薄片。
84.首先，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1:1.5:0.006:6混合均匀，通过磁力搅拌2h，形成混合液；
85.第二，将混合液转移到50℃恒温箱中静置1d，得到溶胶；
86.第三，将玻璃模具用浓度为0.6m的稀氨水浸泡20h，再用去离子水冲洗干净后烘干得到亲水性的玻璃模具；
87.第四，将步骤2所得溶胶灌注到步骤3所得到的亲水性的玻璃模具中并充满容器，
盖上亲水性的玻璃盖子，密封好放入49℃恒温箱中静置2d，即可得到水凝胶；
88.第五，将水凝胶用无水乙醇浸泡洗涤3d，每1d替换一次溶剂，得到醇凝胶；
89.第六，将醇凝胶进行二氧化碳超临界干燥，超临界干燥的温度设置为41℃，气压设置为10.5mpa，升温速率设置为0.6℃/min，恒温时间为3.5h，减压速率为2mpa/h，经过干燥即可得到有机气凝胶；
90.最后，将所得有机气凝胶放到石英模具中，石英模具由两片相同尺寸的石英板和两片相同尺寸的石英垫片构成，石英板的长度为50mm，宽度为10mm，厚度为2mm，石英垫片的长度为10mm，宽度为10mm，厚度为250μm，连同石英模具放入管式炉中，进一步进行惰性气氛保护高温处理以除去样品中残留的有机物，热处理温度为900℃，惰性气氛为高纯氮气，升温速率为9℃/min，恒温时间为3.5h，即可得到一种可导电的气凝胶薄片，经检测其导电率为4s/m。
91.实施例5
92.厚度约为300μm的可导电的气凝胶薄片。
93.首先，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1:1.5:0.003:3混合均匀，通过磁力搅拌2h，形成混合液；
94.第二，将混合液转移到50℃恒温箱中静置1d，得到溶胶；
95.第三，将玻璃模具用浓度为0.5m的稀氨水浸泡24h，再用去离子水冲洗干净后烘干得到亲水性的玻璃模具；
96.第四，将步骤2所得溶胶灌注到步骤3所得到的亲水性的玻璃模具中并充满容器，盖上亲水性的玻璃盖子，密封好放入50℃恒温箱中静置2d，即可得到水凝胶；
97.第五，将水凝胶用无水乙醇浸泡洗涤3d，每1d替换一次溶剂，得到醇凝胶；
98.第六，将醇凝胶进行二氧化碳超临界干燥，超临界干燥的温度设置为41℃，气压设置为10mpa，升温速率设置为1℃/min，恒温时间为4h，减压速率为3mpa/h，经过干燥即可得到有机气凝胶；
99.最后，将所得有机气凝胶放到石英模具中，石英模具由两片相同尺寸的石英板和两片相同尺寸的石英垫片构成，石英板的长度为50mm，宽度为10mm，厚度为2mm，石英垫片的长度为10mm，宽度为10mm，厚度为300μm，连同石英模具放入管式炉中，进一步进行惰性气氛保护高温处理以除去样品中残留的有机物，热处理温度为1050℃，惰性气氛为高纯氮气，升温速率为9℃/min，恒温时间为3h，即可得到一种可导电的气凝胶薄片，经检测其电导率为4.3s/m。
100.实施例6
101.厚度约为400μm的可导电的气凝胶薄片。
102.首先，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1:1.5:0.002:2混合均匀，通过磁力搅拌2h，形成混合液；
103.第二，将混合液转移到50℃恒温箱中静置1d，得到溶胶；
104.第三，将玻璃模具用浓度为0.5m的稀氨水浸泡24h，再用去离子水冲洗干净后烘干得到亲水性的玻璃模具；
105.第四，将步骤2所得溶胶灌注到步骤3所得到的亲水性的玻璃模具中并充满容器，盖上亲水性的玻璃盖子，密封好放入50℃恒温箱中静置2d，即可得到水凝胶；
106.第五，将水凝胶用无水乙醇浸泡洗涤4d，每1d替换一次溶剂，得到醇凝胶；
107.第六，将醇凝胶进行二氧化碳超临界干燥，超临界干燥的温度设置为40℃，气压设置为10mpa，升温速率设置为1℃/min，恒温时间为3h，减压速率为2mpa/h，经过干燥即可得到有机气凝胶；
108.最后，将所得有机气凝胶放到石英模具中，石英模具由两片相同尺寸的石英板和两片相同尺寸的石英垫片构成，石英板的长度为50mm，宽度为10mm，厚度为2mm，石英垫片的长度为10mm，宽度为10mm，厚度为400μm，连同石英模具放入管式炉中，进一步进行惰性气氛保护高温处理以除去样品中残留的有机物，热处理温度为1000℃，惰性气氛为高纯氮气，升温速率为9℃/min，恒温时间为3h，即可得到一种可导电的气凝胶薄片，经检测其电导率为4.8s/m。
109.实施例7
110.厚度约为500μm的可导电的气凝胶薄片。
111.首先，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1:1.5:0.002:2混合均匀，通过磁力搅拌2h，形成混合液；
112.第二，将混合液转移到50℃恒温箱中静置1d，得到溶胶；
113.第三，将玻璃模具用浓度为0.5m的稀氨水浸泡24h，再用去离子水冲洗干净后烘干得到亲水性的玻璃模具；
114.第四，将步骤2所得溶胶灌注到步骤3所得到的亲水性的玻璃模具中并充满容器，盖上亲水性的玻璃盖子，密封好放入50℃恒温箱中静置2d，即可得到水凝胶；
115.第五，将水凝胶用无水乙醇浸泡洗涤3d，每1d替换一次溶剂，得到醇凝胶；
116.第六，将醇凝胶进行二氧化碳超临界干燥，超临界干燥的温度设置为40℃，气压设置为10mpa，升温速率设置为1℃/min，恒温时间为4h，减压速率为2mpa/h，经过干燥即可得到有机气凝胶；
117.最后，将所得有机气凝胶放到石英模具中，石英模具由两片相同尺寸的石英板和两片相同尺寸的石英垫片构成，石英板的长度为50mm，宽度为10mm，厚度为2mm，石英垫片的长度为10mm，宽度为10mm，厚度为500μm，连同石英模具放入管式炉中，进一步进行惰性气氛保护高温处理以除去样品中残留的有机物，热处理温度为1050℃，惰性气氛为高纯氮气，升温速率为8℃/min，恒温时间为3h，即可得到一种可导电的气凝胶薄片，经检测其电导率为5s/m。
118.实施例1-7的玻璃模具的结构为载玻片-玻璃垫片-载玻片的层状结构；石英模具的结构为石英板-石英垫片-石英板-石英垫片的围成的矩形管状结构。