CN103233296A - 一种n掺杂柔性石墨烯纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种N掺杂柔性石墨烯纤维的制备方法:按照改进的Hummers法,以石墨为原料,制备氧化石墨烯水溶液作为纺丝原液;利用湿法纺丝技术,将纺丝原液通过喷嘴纺入0.1~5mg/mL的羟胺乙醇溶液或者盐酸羟胺乙醇溶液,凝固形成氧化石墨烯纤维;低温加热,蒸发乙醇溶剂,制备得到N掺杂的柔性石墨烯纤维。制备的产品具有良好的导电性和柔韧性,可用于超级电容器电极材料和催化剂载体。该方法制备过程简单,整个制备过程一步完成,可实现N掺杂柔性石墨烯纤维批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种石墨烯纤维的制备,特别涉及一种N掺杂柔性石墨烯纤维的制备方法。
背景技术
碳纤维具有碳材料和纤维两大特征的一种新的碳材料。由于其具有较好的导电和导热性能、高模量、高强度、密度小、耐酸耐碱等特点,在土木建筑、航空航天、能源、通信、基础设施等领域有着广泛的应用。
石墨烯是2004年发现的一种由单层碳原子组成的二维蜂窝点阵结构的新型碳材料[Science,2004,306,5696,666-669],被认为是构建其它维数碳材料(石墨、碳纳米管、富勒烯)的基本单元。由于其独特的物理和化学性质,在电子器件、能源储存与转换和传感器等领域有着非常广泛的应用,获得科技界很高的赞誉。在许多石墨烯的制备方法中,以石墨为原来,用化学方法先氧化石墨,然后将其还原得到石墨烯被认为是一种简单、高效、可大规模制备石墨烯的有效方法。众多周知,氧化石墨烯表面富含大量的羧基和羟基,这些基团和氢键的相互作用有利于氧化石墨烯发生组装形成多种不同的结构,还原后得到不同结构的石墨烯材料。比如三维层层堆积的石墨烯膜、三维多孔网络结构的石墨烯凝胶、类似于碳纳米管纤维和商用碳纤维的石墨烯纤维。
石墨烯纤维同时具有石墨烯独特的性质和纤维的柔韧性,受到科学界的广泛关注。目前,国内外只有少数课题组分别用不同的方法制备石墨烯纤维。高超等人将氧化石墨烯水溶液纺入氢氧化钾-甲醇溶液中首次得到氧化石墨烯纤维,然后用甲醇充分清洗氧化石墨烯纤维,除掉多余的氢氧化钾,最后通过化学处理得到石墨烯纤维[Nat.Commum,2011,2:571],或者将氧化石墨烯连续匀速挤入液氮内凝固,再冷冻干燥后得到氧化石墨烯有序多孔纤维,经化学还原,最后得到石墨烯有序多孔纤维[发明专利,申请公布号CN102586946A]。俞书宏等人将氧化石墨烯分散液加入到作为凝固浴的十六烷基三甲基溴化铵水溶液中,得到氧化石墨烯纤维,最后该氧化石墨烯纤维经过还原和干燥后,得到石墨烯纤维[发明专利,申请公布号CN102817111A]。然而上述制备石墨烯纤维的方法均需要两步才能得到石墨烯纤维。董泽林等人将氧化石墨烯溶液注入玻璃管内进行水热反应制备得到石墨烯纤维[Adv.Mater.2012,24,1856-1861],该方法所制备的石墨烯纤维长度受到容器的限制,不利于大量生产。
发明内容
本发明的目的在于克服上述制备石墨烯纤维的不足,提供一种N掺杂柔性石墨烯纤维的制备方法。
本发明提供的一种N掺杂柔性石墨烯纤维的制备方法,是以羟胺或者盐酸羟胺作为凝固剂、还原剂和N掺杂剂,一步法直接制备得到任意长度的N掺杂柔性石墨烯纤维。
本发明是通过以下具体技术方案实现的:
(1)、按照改进的Hummers法,以石墨为原料,制备2~20mg/mL的氧化石墨烯水溶液作为纺丝原液;
(2)、利用湿法纺丝技术,将纺丝原液通过喷嘴纺入0.1~5mg/mL的羟胺乙醇溶液中或者盐酸羟胺乙醇溶液中,在羟胺或者盐酸羟胺的凝固作用下迅速形成氧化石墨烯纤维;
(3)、将上述体系,低温加热,蒸发乙醇溶剂,制备得到N掺杂的柔性石墨烯纤维。
按上述方案,所述的低温温度不高于200℃。
按上述方案所制备的N掺杂的柔性石墨烯纤维可进一步制成纤维布、纤维毡等产品,这些纤维产品具有良好的导电性和柔韧性,可用于超级电容器电极材料和催化剂载体。
与现有技术相比,本发明的优点:(1)、本发明以羟胺或者盐酸羟胺作为凝固剂、还原剂和N掺杂剂,一步直接得到任意长度和粗细的N掺杂的柔性石墨烯纤维。制备方法简单、易操作,可实现N掺杂柔性石墨烯纤维及其纤维产品的批量生产。(2)、所制备的N掺杂石墨烯纤维及其纤维产品具有良好的导电性和柔韧性,可用于超级电容器电极材料和催化剂载体。
附图说明:
图1为实施例1所制备的氧化石墨烯纤维的电子照片。
图2为实施例2所制备的氧化石墨烯纤维的电子照片。
图3为实施例2所制备的石墨烯纤维的电子照片。
图4为实施例2所制备的石墨烯纤维折叠成小方块的电子照片。
图5为实施例2所制备的石墨烯纤维的X射线光电子谱。
图6为实施例2所制备的石墨烯纤维扫描电子显微镜图。
图7为实施例3所制备的石墨烯纤维的扫描电子显微镜图。
图8为实施例4所制备的石墨烯纤维作为超级电容器电极材料,利用两电极法,测得其在25%的KOH溶液中,扫描速度为50mV/s时的循环伏安曲线。
具体实施方案:
以下实施例中羟胺乙醇溶液的制备:等摩尔量的盐酸羟胺和氢氧化钾在无水乙醇溶液中充分反应,室温静置30min,然后5000~12000r﹒min-1离心1~30min,去掉沉淀,制备得到0.1~5mg/mL的羟胺乙醇溶液备用。
实施例1、按照改进的Hummers法,以石墨为原料,制备浓度为8mg/mL的氧化石墨烯水溶液作为纺丝原液;利用湿法纺丝技术,将纺丝原液通过微孔喷嘴连续不断地纺入2mg/mL的羟胺乙醇溶液中,在羟胺的作用下,氧化石墨烯迅速凝固形成黄棕色的氧化石墨烯纤维,如图1所示。然后,溶液在70℃加热2h,随后温度慢慢升至100℃,蒸发乙醇溶剂,同时,羟胺作为还原剂和N掺杂剂与氧化石墨烯反应,一步法得到N掺的杂柔性石墨烯纤维。用四电极法测得该纤维的电导率为10S cm-1。
实施例2:按照改进的Hummers法,以石墨为原料,制备浓度为15mg/mL的氧化石墨烯水溶液作为纺丝原液,利用湿法纺丝技术,将纺丝原液通过微孔喷嘴连续不断地纺入1.0mg/mL的羟胺乙醇溶液中,在羟胺的作用下,氧化石墨烯迅速凝固形成黄棕色的氧化石墨烯纤维,如图2所示。然后,溶液在70℃加热2h,随后温度慢慢升至100℃,蒸发乙醇溶剂,同时,羟胺作为还原剂和N掺杂剂与氧化石墨烯反应,一步法得到N掺杂的黑灰色的石墨烯纤维如图3所示。其具有良好的柔韧性,可以多次折叠不破坏纤维结构,如图4所示。通过X射线光电子能谱测试,发现结合能大约为400eV处,有明显的N1s峰出现,进一步证明了N元素掺杂到石墨烯结构中,如图5所示。从所制备的N掺杂的是柔性石墨烯纤维的扫描电子显微镜图,可以看出纤维表面比较粗糙,纤维粗细大约20μm,如图6所示。
实施例3:按照改进的Hummers法,以石墨为原料,制备浓度为10mg/mL的氧化石墨烯水溶液作为纺丝原液,利用湿法纺丝技术,将纺丝原液通过微孔喷嘴连续不断地纺入0.80mg/mL的羟胺乙醇溶液中,在羟胺的作用下,氧化石墨烯迅速凝固形成氧化石墨烯纤维。然后,溶液在70℃加热2h,随后温度慢慢升至100℃,蒸发乙醇溶剂,同时,羟胺作为还原剂和N掺杂剂与氧化石墨烯反应,一步法得到N掺的杂柔性石墨烯纤维。通过扫描电子显微镜表征可以看出,所制备的纤维表面比较粗糙,可以看到明显的石墨烯褶皱,纤维粗细大约20μm,如图7所以。
实施例4:按照改进的Hummers法,以石墨为原料,制备浓度为16mg/ml的氧化石墨烯水溶液作为纺丝原液,利用湿法纺丝技术,将纺丝原液通过微孔喷嘴连续不断地纺入0.4mg/mL的羟胺乙醇溶液中,在羟胺的作用下,氧化石墨烯迅速凝固形成氧化石墨烯纤维。然后,溶液在70℃加热2h,随后温度慢慢升至100℃,蒸发乙醇溶剂,同时,羟胺作为还原剂和N掺杂剂与氧化石墨烯反应,一步法得到N掺的杂柔性石墨烯纤维。
以所制备的两块大小相等的质量均为1mg的N掺杂的柔性石墨烯纤维作为超级电容器电极材料,用两电极法构建超级电容器。如图8所示为该超级电容器在25%的KOH电解液中,扫描速度为50mV/s时的循环伏安曲线。可以看出,整个扫描电压范围内,N掺杂的柔性石墨烯纤维为电极构建的超级电容器没有明显的氧化还原峰,只有电极表面含有一些电化学活性基团发生电化学反应引起的较小的凸起。当扫描电压改变方向的瞬间,电极材料电流瞬间能达到稳定,具有良好的充放电可逆性。根据以下公式计算:
Csc=(∫IdV)/(vmΔV)
其中I为响应电流(A),ΔV为电位窗口(V),v为扫描速度(Vs-1),m为单电极质量(g)。
得出该电极材料在扫描速度为50mV/s时的比电容为140F/g。说明N掺杂的柔性石墨烯纤维是一种很好的超级电容器电极材料。
实施例5:按照改进的Hummers法,以石墨为原料,制备浓度为12mg/ml的氧化石墨烯水溶液作为纺丝原液,利用湿法纺丝技术,将纺丝原液通过微孔喷嘴连续不断地纺入1mg/mL的盐酸羟胺乙醇溶液中,在盐酸羟胺的作用下,氧化石墨烯迅速凝固形成氧化石墨烯纤维。然后,溶液在70℃加热2h,随后温度慢慢升至120℃,蒸发乙醇溶剂,同时,盐酸羟胺作为还原剂和N掺杂剂与氧化石墨烯反应,一步法得到N掺的杂柔性石墨烯纤维。
实施例6、按照改进的Hummers法,以石墨为原料,制备浓度为16mg/mL的氧化石墨烯水溶液作为纺丝原液,利用湿法纺丝技术,将纺丝原液通过微孔喷嘴连续不断地纺入0.6mg/mL的盐酸羟胺乙醇溶液中,在盐酸羟胺的作用下,氧化石墨烯迅速凝固形成氧化石墨烯纤维。然后,溶液在70℃加热2h,随后温度慢慢升至100℃,蒸发乙醇溶剂,同时,盐酸羟胺作为还原剂和N掺杂剂与氧化石墨烯反应,一步法得到N掺的杂柔性石墨烯纤维。
本发明所制备的石墨烯纤维还可以进行后处理。例如,在马弗炉或者管式炉高温煅烧处理,使其有新的物理或者化学性质,在这里不一一列举。
本发明所列举的各原料都能实现本发明,以及各原料的上下限取值、区间值都能实现本发明;在此不一一列举实施例。本发明的工艺参数(温度、浓度等)的上下限取值、区间取值都能实现本发明,在此不一一列举实施例。
Claims (3)
1.一种N掺杂柔性石墨烯纤维的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)、按照改进的Hummers法,以石墨为原料,制备2~20mg/mL的氧化石墨烯水溶液作为纺丝原液;
(2)、利用湿法纺丝技术,将纺丝原液通过喷嘴纺入0.1~5mg/mL的羟胺乙醇溶液中,凝固形成氧化石墨烯纤维;
(3)、将上述体系,低温加热,蒸发乙醇溶剂,制备得到N掺杂的柔性石墨烯纤维。
2.如权利要求1所述的一种N掺杂柔性石墨烯纤维的制备方法,其特征在于,所述的低温温度不高于200℃。
3.如权利要求1所述的一种N掺杂柔性石墨烯纤维的制备方法,其特征在于,所述的羟胺乙醇溶液用盐酸羟胺乙醇溶液替代。
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Ran et al. | Preparation of hierarchical polyaniline nanotubes based on self‐assembly and its electrochemical capacitance |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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