一种耐压碳基介孔气凝胶状材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种耐压碳基介孔气凝胶状材料及其制备方法。

背景技术：

1、气凝胶是一种纳米级多孔固态材料，也被叫做“冻结的烟”，具有高孔隙率、低密度、高弹性的特点，内部的物质颗粒非常小，一般是纳米量级。由于气凝胶中一般含有大量的空气，所以有非常好的隔热效果，一寸厚的气凝胶相当20至30块普通玻璃的隔热功能。此外，气凝胶虽然看似脆弱不堪，其实非常坚固耐用，一般能承受较高的压力，同时还能承受比较高的高温，可以作为极佳的隔热材料。传统的气凝胶一般为二氧化硅气凝胶，新型的气凝胶也可以由石墨烯制得。和传统的二氧化硅气凝胶相比较，石墨烯气凝胶可任意调节形状，弹性也很好，被压缩80％后仍可恢复原状。此外，它对有机溶剂有超快、超高的吸附力，现有吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体，而石墨烯气凝胶，能吸收上百倍的液体，而且只吸油不吸水。目前气凝胶的主要制备方法是通过溶胶凝胶法先制得凝胶，然后经过干燥技术使用空气取代凝胶中的液体，但是该方法冗长复杂，目前没有实现商业应用，同时通过凝胶干燥制备得到的石墨烯气凝胶结构比较粗糙，无法得到介孔结构，耐压能力还有很大的提升空间。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种耐压碳基介孔气凝胶状材料及其制备方法，利用电弧技术和电子回旋共振技术结合，可快速且大规模的生产碳基气凝胶，解决传统的气凝胶制备方法工艺过程冗长，无法实现快速工业生产制造的问题。同时，制造的新型气凝胶具有新颖的介孔结构，并且孔的尺寸高度集中，90％的介孔尺寸小于5nm，该介孔结构大幅提高了气凝胶的机械强度，可以承受比普通气凝胶更高的压力。是一种耐高压，隔热性好，还能够大规模生产制造的新型气凝胶。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种耐压碳基介孔气凝胶状材料，包括纳米石墨烯瓣、纳米石墨烯瓣之间的介孔、纳米石墨烯瓣和介孔构成的介孔石墨烯花、介孔中可以有纳米硅/氧化硅、由大量介孔石墨烯花或介孔石墨烯花及其中的纳米硅/氧化硅构成的耐压碳基介孔气凝胶状材料。

4、所述纳米石墨烯瓣为形似花瓣状的石墨烯纳米片，其片径尺寸为8～25nm，纳米石墨烯瓣的厚度为4～7层碳原子层。

5、所述纳米石墨烯瓣之间的介孔尺寸为2～50nm，并且介孔尺寸＜10nm的孔占总孔体积＞50％，最可几(数量最多的)介孔尺寸＜4nm，平均孔径直径＜10nm。

6、进一步地，所述纳米石墨烯瓣和介孔在构成三维石墨烯以及耐压碳基介孔气凝胶状材料时，完全保持了其原有的结构和尺寸，其中，纳米石墨烯瓣没有形成团聚和堆叠，介孔没有出现坍塌或膨胀。

7、进一步地，所述介孔中的纳米硅/氧化硅的尺寸为2～40nm，纳米硅/氧化硅处于石墨烯瓣之间的介孔中，均匀且充分的分布在介孔石墨烯花中。

8、进一步地，还可以使用氢氟酸去除介孔中的纳米硅/二氧化硅，氢氟酸不会影响纳米石墨烯瓣和介孔的尺寸与结构，去除后得到结构和尺寸不变的耐压碳基介孔气凝胶状材料。

9、本发明的另一目的是，纳米石墨烯瓣和介孔构成的介孔石墨烯花结构可以承受最大50mpa的静压力，即对材料施加最大50mpa的静压力不会破坏材料的微结构，释放压力后，介孔石墨烯花结构和尺寸维持完好如初，同时保护其中的氧化硅量子点也完好如初，即耐压碳基介孔气凝胶状材料材料可承受最大50mpa的静压力。

10、本发明采用电弧增强的电子回旋共振等离子体，以甲烷、氩气、氢气气体以及微米硅粉作为原料，制备耐压碳基介孔气凝胶状材料。如图5～6所示

11、1)使用氩气作为载气，将纳米硅粉体输送至电弧枪中作为前驱体(等离子体气1)，氩气在电弧枪中被电离成为氩等离子体弧，产生的高温电弧将其中的纳米硅气化并电离，形成氩和硅的混合电弧，该电弧直接喷入电子回旋共振等离子体腔中作为后续工艺的前驱体。如图5所示

12、2)甲烷和氢气(等离子体气2)进入电子回旋共振等离子体腔中，在电子回旋共振和前述电弧的双重裂解作用下形成等离子体，与1)中进入腔体的等离子体混合后，然后达到施加射频偏压的基底，在基底上沉积形成耐压碳基介孔气凝胶状材料，其中的硅等离子体形成硅量子点，甲烷等离子体形成纳米后墨烯瓣，氩和氢等离子体用于调控材料的微结构和尺寸。

13、3)将基底从腔体中取出，收集基底上的耐压碳基介孔气凝胶状材料，其中的纳米硅在接触空气后转变为纳米二氧化硅，如果收集过程一直保持在惰性气体环境中进行，则硅量子点不会转变为纳米二氧化硅。

14、进一步地，还可使用剪切方式对耐压碳基介孔气凝胶状材料进行破碎，得到尺寸1～15μm的耐压碳基介孔气凝胶状材料颗粒，耐压碳基介孔气凝胶状材料颗粒中的纳米石墨烯瓣和介孔的结构和尺寸，纳米硅/氧化硅的结构和尺寸与破碎前保持一致。

15、进一步地，破碎后的耐压碳基介孔气凝胶状材料还可用于锂离子电池中，作为新型的硅碳负极材料。

16、进一步地，可以去除其中的二氧化硅或硅，得到介孔碳气凝胶状材料，其中碳含量＞99.99％。

17、本发明采用电弧增强的电子回旋共振等离子体，以甲烷气体、氩气和氢气气体、纳米硅作为原料，制备耐压碳基介孔气凝胶状材料。步骤如下：

18、1)使用氩气作为载气，将纳米硅粉体输送至电弧枪中作为前驱体(等离子体气1)，氩气在电弧枪中被电离成为氩等离子体弧，产生的高温电弧将其中的纳米硅气化并电离，形成氩和硅的混合电弧，该电弧直接喷入电子回旋共振等离子体腔中作为后续工艺的前驱体。如图5所示

19、2)甲烷和氢气(等离子体气2)进入电子回旋共振等离子体腔中，在电子回旋共振和前述电弧的双重裂解作用下形成等离子体，与1)中进入腔体的等离子体混合后达到施加射频偏压的基底，在基底上沉积形成耐压碳基介孔气凝胶状材料。

20、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

21、1)本发明的技术方法高效快捷，可以实现快速的工业量产碳基气凝胶

22、2)本发明的材料具有介孔结构，大幅提高了气凝胶的机械强度，可以承受较高的压力而不损坏。

23、3)本发明和传统气凝胶技术方法相比，非常环保，不产生任何废水，生产过程产生的尾气过滤后残留硅可循环使用，剩余尾气为氢气，可收集后作为工业用氢气，经济环保。

24、4)本发明的气凝胶状材料破碎后可以作为新型的硅碳锂电负极用得活性材料。

25、附图表说明

26、图1、本发明的耐压碳基介孔气凝胶状材料外观照片

27、图2、本发明的耐压碳基介孔气凝胶状材料微结构扫描电镜照片

28、图3、本发明中的石墨烯纳米瓣及介孔微结构透射电镜照片

29、图4、本发明中使用的电弧枪结构示意图

30、图5、本发明中使用的电子回旋共振腔体结构示意图

31、图6、耐压碳基介孔气凝胶状材料的导热系数

32、图7、耐压碳基介孔气凝胶状材料作为锂电负极时的倍率性能图

33、图8、耐压碳基介孔气凝胶状材料作为锂电负极时的循环性能

34、表1：耐压碳基介孔气凝胶状材料作为锂电负极时的性能数据

35、为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。