碳气凝胶的科学与工程

发布时间：2022.02.25

碳气凝胶的科学与工程

尽管碳气凝胶是一种具有高比表面积和大介孔体积的独特材料，但其超临界干燥成本极高。因此，用叔丁醇冷冻干燥制备RF冻凝胶，并通过热裂解冻凝胶制备碳冻凝胶。碳冻胶多孔性。冷凝胶的Vmes值约为碳气凝胶的60-120%。碳冻胶是一种高比表面积>800m2g-1、大介孔体积>0.55cm3g-1的介孔材料。

介孔碳气凝胶是由间苯二酚和甲醛的有机气凝胶热解制备的。在图中，示出了表观密度为0.4g/cm3的碳气凝胶的TEM图像。初生碳粒径约为4-9nm，形成网状结构。碳气凝胶的典型吸附等温线如图所示，该等温线属于IV型，具有明显的滞后性。通过αs图计算的孔结构参数列在由间苯二酚和甲醛在1000℃下制备的三种碳气凝胶上，见表。这些碳气凝胶主要含有中孔，这些中孔形成于相互连接的微小碳颗粒的三维网络中，在初级碳颗粒中仅形成少量微孔。

在900°C下，二氧化碳可以激活碳气凝胶以增加Vmicro。活化增加了微孔和中孔：微微孔为0.68cm3/g，中微孔为1750m2/g，中微孔为2.04cm3/g，中微孔为510m2/g。研究了77k时氮和303k时水蒸气在表面官能团为零的活性炭气凝胶上的吸附，清楚地表明，吸附水的数量主要对应于Vmicro，而不是Vmeso。向碳气凝胶中添加Ce和Zr会生成微孔碳。

高温热处理后碳气凝胶孔参数的变化见表。随着HTT的增加，总比表面积和体积都减小，这主要是由于微孔的减少。因此，在2000℃以上对碳气凝胶进行热处理可得到仅含介孔的碳，即介孔碳。

碳气凝胶的孔结构受前体有机气凝胶的孔结构控制，前体有机气凝胶的孔结构受间苯二酚与甲醛（R/F）、水（R/W）和碳酸钠碱性催化剂（R/C）的摩尔比控制。合成的水性凝胶在超临界条件下用二氧化碳干燥。在图中，原始有机凝胶和生成的碳凝胶的孔径分布都是R/W的函数，其他控制因素R/F和R/C分别为0.5和75。有机气凝胶的孔径分布很明显，其最大值随R/W比的增大而减小。通过碳化这些有机气凝胶，孔径分布转移到更小的尺寸，主要是由于凝胶在热分解过程中的收缩。

冷冻干燥法也取代了超临界干燥水性凝胶的方法。在通过冷冻干燥制备的凝胶（冷冻凝胶）上，观察到碳化过程中的孔径收缩更小，如图所示。详细研究了溶胶-凝胶缩合法制备间苯二酚-甲醛凝胶和冷冻干燥制备间苯二酚-甲醛凝胶的条件，以控制合成炭材料的介孔性。间苯二酚甲醛凝胶由其水凝胶经冷冻干燥、微波干燥或热风干燥制备，并在1000℃下加热转化为碳凝胶。为了获得介孔碳，前两种干燥方法是有效的。