一種酚醛樹脂基中空碳球的制備方法與流程

文檔序號:18178974發布日期:2019-07-13 10:40
一種酚醛樹脂基中空碳球的制備方法與流程

本發明屬于新能源電子材料技術領域,涉及一種酚醛樹脂基中空碳球的制備方法。



背景技術:

近幾年來,隨著社會經濟、科學技術的飛速發展以及人口的急劇增長,資源和能源的短缺的問題日漸突出,電化學超級電容器作為新的能源儲存裝置受到了人們廣泛地關注。中空介孔碳球具有均勻的球形形貌、介孔尺寸和高的比表面積,并且中空結構可以作為離子的儲存池有利于高速率下的離子緩沖作用。這些特性有利于增加材料的性能,說明中空碳球是用于電化學電容器的理想的電極材料。

酚醛樹脂是由酚類(如苯酚、甲酚、間苯二酚等)與醛類(如甲醛、糠醛等)在催化劑存在下,縮合生成的合成樹脂。常用的制備中空碳球的方法有硬模板法和軟模板法,Guan等通過模板導向劑負載的方法以SiO2為硬模板、CTAB作為陽離子表面活性劑、間苯二酚甲醛樹脂作為碳源合成了直徑大約為290nm的單分散的中空碳球(Guan B,Wang X,Xiao Y,et al.A versatile cooperative template-directed coating method to construct uniform microporous carbon shells for multifunctional core–shell nanocomposites[J].Nanoscale,2013,5)。Chen等人已經報道了通過化學氣相沉積的方法來制備介孔中空碳球,然而在電流密度為0.2A/g的條件下,其電容值僅有99F/g(Chen X,Kierzek K,Cendrowski K,et al.CVD generated mesoporous hollow carbon spheres as supercapacitors[J].Colloids and Surfaces A (Physicochemical and Engineering Aspects),2012,396(none):246-250)。Yu等人報道了合成具有多層次納米結構的中空介孔碳膠囊,電流密度為0.3A/g的條件下其比電容為162 F/g(Bhattacharjya D,Kim M S,Bae T S,et al.High performance supercapacitor prepared from hollow mesoporous carbon capsules with hierarchical nanoarchitecture[J].Journal of Power Sources,2013,244(4):799-805)。

中國專利文獻CN103879985A公開了一種中空碳球的制備方法,包括以下步驟:(1) 在20-50℃下調制含有1-10wt%分散劑的水溶液;(2)將酚醛樹脂顆粒、固化劑和含有分散劑的水溶液同時置入高壓釜中;其中,酚醛樹脂顆粒:固化劑:分散劑水溶液的質量比為: 100:3~20:500~1500;(3)在高壓釜中攪拌并且以0.5~5℃/min的升溫速率加熱到110~130 ℃,保溫0.5~3h,然后自然冷卻、過濾、干燥,得到中空酚醛樹脂球;(4)以100g中空酚醛樹脂球為基準,在炭化活化爐中以0.5~5℃/min的升溫速率加熱到800~1000℃后,恒溫0.5~3h,自然冷卻后即得中空碳球。該發明操作步驟比較復雜且成本較高。



技術實現要素:

針對現有技術的不足,本發明提供了一種充分利用無模板法制備球徑均一、合成方法簡單的酚醛樹脂基中空碳球的制備方法。

本發明的技術方案如下:

根據本發明,一種酚醛樹脂基中空碳球的制備方法,包括步驟如下:

(1)取0.10~0.50g間苯二酚和20.0ml去離子水加入三口燒瓶中,超聲5min至完全溶解;

(2)向步驟(1)中三口燒瓶內加入0~3.0ml無水乙醇,超聲5min形成均勻溶液;

(3)將步驟(2)所得溶液置于-10~10℃冷浴條件下,攪拌5min后加入0.50ml甲醛和0.30ml氨水,持續攪拌0~60min,靜置24h;

(4)將步驟(3)得到的產物分別用去離子水和乙醇交替離心洗滌5次,冷凍干燥產物,即得酚醛樹脂基中空球;

(5)將步驟(4)得到的產物置于坩堝中,采用管式爐進行碳化處理,條件為:氬氣氛圍600~800℃,保溫1~3h,升溫速率為1~3℃/min,得到黑色粉末,即為酚醛樹脂基中空碳球。

根據本發明,優選的,步驟(1)中的間苯二酚為0.20g。

根據本發明,優選的,步驟(2)中的無水乙醇為0.40ml。

根據本發明,優選的,步驟(3)所述的反應溫度是0℃。

根據本發明,優選的,步驟(3)攪拌時間為15min。

根據本發明,優選的,步驟(5)中所述的碳化溫度是700℃。

根據本發明,優選的,步驟(5)中所述的保溫時間1h。

根據本發明,優選的,步驟(5)中所述的升溫速率是1℃/min。

本發明的技術優勢如下:

(1)本發明制備過程簡單,具有可控性,僅用少量無水乙醇就可以形成明顯的中空結構,并且通過改善反應時間、反應溫度、碳化溫度等來控制中空酚醛樹脂球的均一性和穩定性。

(2)本發明合成工藝簡便,原料來源廣泛,成本低廉,適合大規模工業化生產。

附圖說明

圖1為本發明實施例2制得的中空酚醛樹脂基碳球的掃描電鏡圖。

圖2為本發明實施例2制得的中空酚醛樹脂基碳球的透射電鏡圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例和附圖對本發明做進一步的說明,但不限于此。

同時下述實施例中所述實驗方法,如無特殊說明,均為常規方法;所述試劑和材料,如無特殊說明,均可從商業途徑獲得。

實施例1:

將0.20g間苯二酚和20.0ml去離子水加入三口燒瓶中,超聲5min至完全溶解;然后中加入0.20ml無水乙醇,超聲5min形成均一溶液;所得均一溶液在0℃冷浴條件下,攪拌5min,加入0.50ml甲醛和0.30ml氨水,攪拌15min,靜置12h,將產物分別用去離子水和乙醇交替離心洗滌5次,冷凍真空干燥產物,即得酚醛樹脂基中空球,將產物置于坩堝中,采用管式爐進行碳化處理,條件為:氬氣氛圍700℃,保溫1h,升溫速率為1 ℃/min,取出坩堝,得到黑色粉末,即為酚醛樹脂球。

實施例2:

將0.20g間苯二酚和20.0ml去離子水加入三口燒瓶中,超聲5min至完全溶解;然后中加入0.40ml無水乙醇,超聲5min形成均一溶液;所得均一溶液在0℃冷浴條件下,攪拌5min,加入0.50ml甲醛溶液和0.30ml氨水,攪拌15min,靜置24h,將產物分別用去離子水和乙醇交替離心洗滌5次,然后冷凍真空干燥產物,即得酚醛樹脂基中空球,將產物置于坩堝中,采用管式爐進行焙燒碳化處理,條件為:氬氣氛圍700℃,保溫1h,升溫速率為1℃/min,取出坩堝,得到黑色粉末,即為酚醛樹脂中空碳球。

本實施例制得的酚醛樹脂基中空碳球的掃描電鏡圖如圖1所示,由圖1可知產物在大范圍內顯示出清晰、均勻的球形形貌。

本實施例制得的酚醛樹脂基中空碳球的透射電鏡圖如圖2所示,由圖2可知,酚醛樹脂球為中空結構,殼體厚度均勻且球徑均一。

實施例3:

將0.20g間苯二酚和20.0ml去離子水加入三口燒瓶中,超聲5min至完全溶解;然后中加入0.60ml無水乙醇,超聲5min形成均一溶液;所得均一溶液在5℃冷浴條件下,攪拌5min,加入0.50ml甲醛溶和0.30ml氨水,攪拌30min,靜置24h,將產物分別用去離子水和乙醇交替離心洗滌5次,然后冷凍真空干燥產物,即得酚醛樹脂基中空球,將產物置于坩堝中,采用管式爐進行碳化處理,條件為:氬氣氛圍600℃,保溫1h,升溫速率為1℃/min,取出坩堝,得到黑色粉末。

實施例4:

將0.20g間苯二酚和20.0ml去離子水加入三口燒瓶中,超聲5min至完全溶解;然后中加入2.0ml無水乙醇,超聲5min形成均一溶液;所得均一溶液在0℃冷浴條件下,攪拌5min,加入0.5ml甲醛溶液和0.3ml氨水,攪拌15min,靜置24h,將產物分別用去離子水和乙醇交替離心洗滌5次,然后冷凍真空干燥產物,即得酚醛樹脂基中空球,將產物置于坩堝中,采用管式爐進行碳化處理,條件為:氬氣氛圍700℃,保溫1h,升溫速率為2℃/min,取出坩堝,得到黑色粉末。

實施例5:

將0.20g間苯二酚和20.0ml去離子水加入三口燒瓶中,超聲5min至完全溶解;然后中加入3.0ml無水乙醇,超聲5min形成均一溶液;所得均一溶液在0℃冷浴條件下,攪拌5min,加入0.50ml甲醛溶液和0.30ml氨水,攪拌15min,靜置24h,將產物分別用去離子水和乙醇交替離心洗滌5次,然后冷凍真空干燥產物,即得酚醛樹脂基中空球,將產物置于坩堝中,采用管式爐進行碳化處理,條件為:氬氣氛圍700℃,保溫12h,升溫速率為1℃/min,取出坩堝,得到黑色粉末。

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