一种碳气凝胶材料及作为电吸附材料的用途的制作方法

1.本发明涉及气凝胶技术领域，尤其涉及一种碳气凝胶材料及作为电吸附材料的用途。


背景技术：

2.随着社会的发展，我国目前及今后相当长一段时间内的环境问题主要是水环境问题，水环境问题又主要是有机废水的污染问题。因此，有机废水的治理是环保工作中极其重要的一面。食品、发酵、屠宰、皮革、造纸、制糖、橡胶、纺织、印染、农药、焦化、石油化工等工业废水和废家电回收城镇生活污水是有机废水的主要来源，有机废水中的绝大大部分能对人体有直接或间接、急性或慢性的致毒作用。
3.电吸附技术能耗低、能去除难降解的污染物质，处理过程无二次污染，是近年来快速发展的一种新型水处理技术。而电极材料作为电吸附技术的核心，其结构形貌和电化学性能对电吸附过程具有重要影响。在电吸附过程中，水中的阳离子和阴离子在外场作用下被迫向电荷相反的电极移动，并在电极表面上形成电双层，从而实现对离子的储存。
4.目前，许多高比表面积吸附剂被用于去除废水中的有机染料，但目前吸附剂多为粉末形式，难以回收利用，易造成二次污染。碳质气凝胶是一种具有多孔结构的三维石墨烯材料，实现二维材料到三维的转变，不仅保留了原本碳质材料所具有的优异物理化学性质，良好的导电、导热性以及优异的机械性能，还赋予二维材料所不具备的低密度、大比表面积、高的孔隙率等结构特点，进而拓宽材料的应用范围，其可以满足吸附剂领域的应用需要。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提高传统碳材料作为电吸附电极材料吸附性能不佳的问题，提供一种简单、快速的方法制备出均匀负载铁元素的碳气凝胶材料，并同时提供其作为电吸附电极材料的应用。
6.为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：第一方面，提供了一种碳气凝胶材料，所得碳气凝胶具备如下参数：比表面积400~700m2/g，孔径分布0.5~3 nm，孔容0.5~0.8 cm3/g，比电容为50~90 f/g；所述碳气凝胶材料的制备方法包括：s1、淀粉水凝胶的制备：将淀粉加入至水中得到淀粉水混合物，将升温至100℃、质量分数为4%-5%的氯化铁溶液快速倒入淀粉水混合物中得凝胶溶液，混合凝胶溶胶自然冷却后得到淀粉水凝胶；s2、将所述淀粉水凝胶经冷冻干燥、高温碳化得到铁负载淀粉基碳气凝胶。
7.第二方面，提供了一种碳气凝胶材料的制备方法，所述方法包括：s1、淀粉水凝胶的制备：将淀粉加入至水中得到淀粉水混合物，将升温至100℃、质量分数为4%-5%的氯化铁溶液快速倒入淀粉水混合物中得凝胶溶液，混合凝胶溶胶冷却后
得到淀粉水凝胶；s2、将所述淀粉水凝胶经冷冻干燥、高温碳化得到铁负载淀粉基碳气凝胶。
8.作为发明的一种实施方式，步骤s1中，淀粉水混合物中淀粉的浓度为0.5g/ml。
9.作为发明的一种实施方式，步骤s1中，加入的氯化铁溶液与水的体积比为20~50:1。
10.作为发明的一种实施方式，步骤s1中，氯化铁溶液的质量分数为5%。
11.作为发明的一种实施方式，步骤s2中的冷冻干燥步骤包括：将所述淀粉水凝胶在-80℃温度下冷冻12小时后，在0℃条件下真空干燥24小时。
12.作为发明的一种实施方式，步骤s2中的高温碳化步骤包括：将冷冻干燥后的淀粉气凝胶置于炭化炉中，碳化过程中以30-50ml/min的速率通入n2，以2-4℃/min的升温速率升至500-900℃后保持2小时，自然冷却至室温即可得到铁负载淀粉基碳气凝胶。
13.第三方面，提供了一种如第一方面所述的碳气凝胶材料或由第二方面制得的一种碳气凝胶材料作为电吸附材料的用途。
14.作为发明的一种实施方式，碳气凝胶材料作电吸附材料对废水中cod降解的应用。
15.采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的碳气凝胶材料的制备方法，在将100℃、质量分数为4%-5%氯化铁溶液倒入淀粉水混合物中后，就会直接得到凝胶溶液，无需搅拌；而混合凝胶溶液冷却后即可得到淀粉水凝胶，制备简单，整个过程生产周期短。
16.本发明的氯化铁在碳气凝胶的制备过程中起到模板的作用，能够有效改善碳气凝胶的孔结构。
17.本发明制备的碳气凝胶实现了铁元素的均匀负载，在用作电吸附电极材料时，铁与碳可以形成铁碳微电解，提高其处理废水的能力，具有良好的市场前景。
附图说明
18.图1是本发明碳气凝胶的xrd示意图。
19.图2是本发明碳气凝胶的fe元素mapping图。
20.图3是实施例1得到的铁负载淀粉基碳气凝胶的等温吸附曲线示意图。
21.图4是实施例1得到的铁负载淀粉基碳气凝胶的孔径分布示意图。
22.图5是实施例1-实施例5、对比例1-对比例3和对比例5得到的碳气凝胶性能测定对比表。
具体实施方式
23.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对发明进行清楚、完整的描述。
24.实施例1（1）淀粉水凝胶的制备：将5g淀粉加入至10ml水中充分混合，将300ml升温至100℃、质量分数为5%的氯化铁溶液快速倒入淀粉水混合物中即得凝胶溶液，混合凝胶溶胶自然冷却后得到淀粉水凝胶；
（2）将所述淀粉水凝胶在-80℃温度下冷冻12小时后，在0℃条件下真空干燥24小时得到冷冻干燥后的淀粉气凝胶，将冷冻干燥后的淀粉气凝胶置于炭化炉中，碳化过程中以30-50ml/min的速率通入n2，以2-4℃/min的升温速率升至700℃后保持2小时，自然冷却至室温即可得到铁负载淀粉基碳气凝胶。
25.由图3和图4所示，制备的碳气凝胶性能参数如下：比表面积700 m2/g，比电容90 f/g，孔径分布0.5~3 nm，孔容0.5~0.8 cm3/g。
26.实施例2（1）淀粉水凝胶的制备：将5g淀粉加入至10ml水中充分混合，将300ml升温至100℃、质量分数为5%的氯化铁溶液快速倒入淀粉水混合物中即得凝胶溶液，混合凝胶溶胶自然冷却后得到淀粉水凝胶；（2）将所述淀粉水凝胶在-80℃温度下冷冻12小时后，在0℃条件下真空干燥24小时得到冷冻干燥后的淀粉气凝胶，将冷冻干燥后的淀粉气凝胶置于炭化炉中，碳化过程中以30-50ml/min的速率通入n2，以2-4℃/min的升温速率升至500℃后保持2小时，自然冷却至室温即可得到铁负载淀粉基碳气凝胶。
27.制备的碳气凝胶性能参数如下：比表面积430 m2/g，比电容52 f/g。
28.实施例3（1）淀粉水凝胶的制备：将5g淀粉加入至10ml水中充分混合，将300ml升温至100℃、质量分数为5%的氯化铁溶液快速倒入淀粉水混合物中即得凝胶溶液，混合凝胶溶胶自然冷却后得到淀粉水凝胶；（2）将所述淀粉水凝胶在-80℃温度下冷冻12小时后，在0℃条件下真空干燥24小时得到冷冻干燥后的淀粉气凝胶，将冷冻干燥后的淀粉气凝胶置于炭化炉中，碳化过程中以30-50ml/min的速率通入n2，以2-4℃/min的升温速率升至900℃后保持2小时，自然冷却至室温即可得到铁负载淀粉基碳气凝胶。
29.制备的碳气凝胶性能参数如下：比表面积672 m2/g，比电容82 f/g。
30.实施例4（1）淀粉水凝胶的制备：将5g淀粉加入至10ml水中充分混合，将200ml升温至100℃、质量分数为5%的氯化铁溶液快速倒入淀粉水混合物中即得凝胶溶液，混合凝胶溶胶自然冷却后得到淀粉水凝胶；（2）将所述淀粉水凝胶在-80℃温度下冷冻12小时后，在0℃条件下真空干燥24小时得到冷冻干燥后的淀粉气凝胶，将冷冻干燥后的淀粉气凝胶置于炭化炉中，碳化过程中以30-50ml/min的速率通入n2，以2-4℃/min的升温速率升至700℃后保持2小时，自然冷却至室温即可得到铁负载淀粉基碳气凝胶。
31.制备的碳气凝胶性能参数如下：比表面积593 m2/g，比电容76 f/g。
32.实施例5（1）淀粉水凝胶的制备：将5g淀粉加入至10ml水中充分混合，将500ml升温至100℃、质量分数为5%的氯化铁溶液快速倒入淀粉水混合物中即得凝胶溶液，混合凝胶溶胶自然冷却后得到淀粉水凝胶；（2）将所述淀粉水凝胶在-80℃温度下冷冻12小时后，在0℃条件下真空干燥24小时得到冷冻干燥后的淀粉气凝胶，将冷冻干燥后的淀粉气凝胶置于炭化炉中，碳化过程中
以30-50ml/min的速率通入n2，以2-4℃/min的升温速率升至700℃后保持2小时，自然冷却至室温即可得到铁负载淀粉基碳气凝胶。
33.制备的碳气凝胶性能参数如下：比表面积320 m2/g，比电容47 f/g。
34.对比例1（1）淀粉水凝胶的制备：将5g淀粉加入至10ml水中充分混合，将300ml升温至100℃后的2%的氯化铁溶液快速倒入淀粉水混合物中即得凝胶溶液，混合凝胶溶胶自然冷却后得到淀粉水凝胶；（2）将所述淀粉水凝胶在-80℃温度下冷冻12小时后，在0℃条件下真空干燥24小时得到冷冻干燥后的淀粉气凝胶，将冷冻干燥后的淀粉气凝胶置于炭化炉中，碳化过程中以30-50ml/min的速率通入n2，以2-4℃/min的升温速率升至700℃后保持2小时，自然冷却至室温即可得到铁负载淀粉基碳气凝胶。
35.制备的碳气凝胶性能参数如下：比表面积528 m2/g，比电容36 f/g。
36.对比例2（1）淀粉水凝胶的制备：将5g淀粉加入至10ml水中充分混合，将300ml升温至100℃后的10%的氯化铁溶液快速倒入淀粉水混合物中即得凝胶溶液，混合凝胶溶胶自然冷却后得到淀粉水凝胶；（2）将所述淀粉水凝胶在-80℃温度下冷冻12小时后，在0℃条件下真空干燥24小时得到冷冻干燥后的淀粉气凝胶，将冷冻干燥后的淀粉气凝胶置于炭化炉中，碳化过程中以30-50ml/min的速率通入n2，以2-4℃/min的升温速率升至700℃后保持2小时，自然冷却至室温即可得到铁负载淀粉基碳气凝胶。
37.制备的碳气凝胶性能参数如下：比表面积118 m2/g，比电容26 f/g。
38.对比例3（1）淀粉水凝胶的制备：将5g淀粉加入至10ml水中充分混合，将600ml升温至100℃后的2.5%的氯化铁溶液快速倒入淀粉水混合物中即得凝胶溶液，混合凝胶溶胶自然冷却后得到淀粉水凝胶；（2）将所述淀粉水凝胶在-80℃温度下冷冻12小时后，在0℃条件下真空干燥24小时得到冷冻干燥后的淀粉气凝胶，将冷冻干燥后的淀粉气凝胶置于炭化炉中，碳化过程中以30-50ml/min的速率通入n2，以2-4℃/min的升温速率升至700℃后保持2小时，自然冷却至室温即可得到铁负载淀粉基碳气凝胶。
39.制备的碳气凝胶性能参数如下：比表面积294 m2/g，比电容31 f/g。
40.对比例4将5g淀粉加入至10ml水中充分混合，将150ml升温至100℃后的10%的氯化铁溶液快速倒入淀粉水混合物中，未能得到均匀的凝胶溶液。
41.对比例5（1）淀粉水凝胶的制备：将5g淀粉加入至10ml水中充分混合，将100ml升温至100℃后的5%的氯化铁溶液快速倒入淀粉水混合物中即得凝胶溶液，混合凝胶溶胶自然冷却后得到淀粉水凝胶；（2）在-80℃温度下冷冻12小时后，在0℃条件下真空干燥24小时得到冷冻干燥后的淀粉气凝胶，将冷冻干燥后的淀粉气凝胶置于炭化炉中，碳化过程中以30-50ml/min的速
率通入n2，以2-4℃/min的升温速率升至700℃后保持2小时，自然冷却至室温，将所得的碳气凝胶用2 m的盐酸浸泡洗涤，然后用去离子水洗涤至中性即可得到淀粉基碳气凝胶。
42.制备的碳气凝胶性能参数如下：比表面积753 m2/g，比电容61 f/g。
43.对实施例1-5、对比例1-3和对比例5得到的碳气凝胶进行性能测定，将碳气凝胶材料作电吸附材料对废水中cod进行降解，测得废水cod的去除率，具体见图5。
44.对废水cod去除率测定：某厂染料厂排放废水，cod在3200~4000mg/l，向其中投放制备的碳气凝胶100g/l，反应时间1小时，测量出水cod去除率。