CN105603584A - 超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维及其制备方法。所述的制备方法，包括：将造孔剂有机化合物和/或高聚物加入溶剂中，然后在50～80℃下搅拌3～24小时，得到含有造孔剂的溶液；将聚丙烯腈浆料与所述的含有造孔剂的溶液混合、得到混合纺丝原液；采用湿法纺丝工艺进行纺丝，得到混合原丝；将混合原丝在催化扩孔剂溶液中浸渍5～24小时，在80～120℃烘干后放入活化炉中预氧化、活化、碳化，得到超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维。本发明制得的聚丙烯腈介孔活性碳纤维由于具有合适的介孔结构，并兼具较高强度，适合做超级电容器的电极。

Description

超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种介孔活性碳纤维及其制备方法，具体地说涉及一种超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维及其制备方法。
背景技术
活性碳纤维ACF(ActivatedCarbonFibers)是在上世纪70年代开发并逐渐工业化的新型高效吸附材料，它具有独特的化学结构、物理结构和优异的吸、脱附性能，因而被广泛应用在化学工业、环境保护、辐射防护、电子工业、医用、食品卫生等方面，而且越来越受到人们的关注。
但目前生产的ACF产品大多为微孔型，孔径分布在1～2nm，这种活性碳纤维在气相吸附中具有吸附、脱附速度快的优点，使其特别适用于气相和液相低分子量分子的吸附，但它无法吸附较大分子。从而限制了它在较大分子领域如催化、电子、医药及液相吸附、超级电容器等方面的应用。
近几年活性炭纤维在超级电容器方面的应用研究成为一大热点。但研究表明，介孔发达而且具有合适孔径分布的材料才对形成超级电容器的双电层有利。因为水溶液体系电解液中的阳离子是由水分子包围而形成的水合离子，约在0.5～1nm范围内，在形成双电层时，微孔(＜2nm)丰富、比表面积较高的电极材料，由于微孔的尺寸与电解液的分子大小相当甚至小于电解液分子，电解液很难达到对其内表面的浸润因而难以形成双电层；而过多大孔的存在，电解液又不能有效利用其空间，而且材料的比表面积和强度都会大幅度下降，其静电容量也会大幅下降；只有合适孔径的介孔才适合于水合离子形成双电层以及充放电过程中离子的自由移动，其静电容量可得到大幅提高。但是接近2nm或50nm的介孔又都对形成双电层不利。因而需要设计孔径在2-50nm左右且介孔率达到40％的介孔ACF做电极材料，这样其大孔、介孔和微孔能够紧密连接，介孔率较高，孔径分布合适，孔道通畅，有利于电解液的传输和吸附，可制备大容量超级电容器电极。图1为活性碳孔径与电双层的关系及活性碳与电解液的界面模型。
发明内容
本发明的目的在于开发一种具有合适介孔结构(10-20nm的介孔率≥30％，总介孔率≥50％)、并兼具较高强度的聚丙烯腈基活性碳纤维(PAN-ACF)及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维，其特征在于，包括：聚丙烯腈活性碳纤维，所述的聚丙烯腈活性碳纤维中分布有介孔。
优选地，所述的聚丙烯腈活性碳纤维的10～20nm的介孔率≥30％、总介孔率≥50％。
优选地，所述的聚丙烯腈活性碳纤维的强度为0.4～1.0GPa。
本发明还提供了上述的超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将有机化合物作为造孔剂加入溶剂中，然后在50～80℃下搅拌3～24小时，得到含有造孔剂的溶液；将聚丙烯腈浆料与所述的含有造孔剂的溶液混合、搅拌，在50～80℃的恒温水浴中加热3～24小时，然后在恒温水浴中于30℃～40℃继续搅拌24～48小时，取出，在烘箱中于50℃～60℃进行脱泡处理，处理时间为24～48小时，得到混合纺丝原液；
步骤2：将步骤1所得的混合纺丝原液采用湿法纺丝工艺进行纺丝，得到混合原丝；
步骤3：将步骤2所得的混合原丝在催化扩孔剂溶液中浸渍5～24小时，在80～120℃烘干后放入活化炉中，在空气气氛中于200～300℃预氧化2～5小时，得到预氧化丝；在活化炉中通入惰性气体，将预氧化丝以升温速率5～10℃/分钟升温到600～900℃，当温度升至750～850℃时开始通入活化剂，在750～850℃恒温5～120分钟，停止通入活化剂，然后以5～10℃/分钟的速率降温至200℃，停止通入惰性气体，随炉冷却后取出，用水或者溶剂洗涤，得到超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维。
优选地，所述的步骤1中的有机化合物能够与聚丙烯腈混溶，且分解温度比聚丙烯腈低。
优选地，所述的步骤1中的有机化合物为乙烯基吡啶、甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚乙烯基吡咯烷酮、低温热解共聚聚丙烯腈、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛、乙酰丙酮镍、乙酰丙酮铂和二茂铁中的至少一种。
优选地，所述的步骤1中的含有造孔剂的溶液中有机化合物的浓度为15％～30％。
优选地，所述的步骤1中的溶剂为二甲基甲酰胺，N，N-二甲基乙酰胺，二甲基亚砜和浓硫酸中的至少一种。
优选地，所述的步骤1中的聚丙烯腈浆料中聚丙烯腈的浓度为15％-30％。
优选地，所述的步骤1中的聚丙烯腈浆料与所述的含有造孔剂的溶液的混合重量比例为1∶0.5-0.8。
优选地，所述的步骤2中的湿法纺丝工艺的具体步骤包括：将步骤1制备的混合纺丝原液经齿轮计量泵计量、过滤器过滤后，从喷丝孔中喷出，进入凝固浴，经过牵伸、水洗、上油、干燥后制得混合原丝。
更优选地，所述的过滤器的微孔直径至少在10μm以下，最好在1μm以下，滤材可选用玻纤、棉或者金属丝网等。
更优选地，所述的喷丝孔的直径为0.05～0.10mm。
更优选地，所述的凝固浴为步骤1中所用溶剂的水溶液，凝固浴中溶剂的浓度为10～75％，凝固浴的温度为15-50℃。凝固浴中溶剂的浓度要小于混合纺丝原液中溶剂的浓度。
更优选地，所述的牵伸采用水浴牵伸和二次高温牵伸，水浴温度为50～80℃，牵伸倍数为2～5倍，二次高温牵伸的牵伸温度为130℃-180℃，牵伸倍数为2-6倍。
更优选地，所述的水洗采用去离子水，水洗温度为30～80℃，水洗后纤维中的溶剂残留量要在0.01wt％以下。
更优选地，所述的油剂为聚二甲基硅氧烷系油剂、芳香酯和烃基酯中的至少一种。
更优选地，所述的油剂的平均粒径小于0.5μm。
优选地，所述的步骤3中的催化扩孔剂溶液为过渡金属盐的水溶液和过渡金属盐的酸溶液的至少一种。
更优选地，所述的酸溶液为磷酸溶液、硝酸溶液、硫酸溶液和盐酸溶液中的至少一种，酸的浓度为5～15％。
更优选地，所述的过渡金属盐为氯化镍、硝酸镍、磷酸镍、氯化铂、硝酸铂和磷酸铂中的至少一种。
更优选地，所述的催化扩孔剂溶液的浓度为5～40％。
优选地，所述的步骤3中的惰性气体为氮气和氩气中的一种或多种。所述的氮气可为高纯氮气或普通氮气。
优选地，所述的步骤3中的活化剂为水蒸汽、KOH溶液、CO2或它们的混合物。
本发明在聚丙烯腈浆料中添加与聚丙烯腈具有较好混溶性的、分解温度比聚丙烯腈低的第二相有机化合物或高聚物做造孔剂，然后选用合适的凝固浴，运用湿法纺丝工艺纺制含有造孔剂的聚丙烯腈原丝。为得到性能优良的活性碳纤维，可以在纺丝溶液中添加第三相金属有机化合物。对含有造孔剂的原丝用过渡金属盐扩孔剂做进一步的催化处理。然后借鉴PAN基碳纤维和PAN基活性碳纤维的制备工艺，研制具有合适介孔结构的聚丙烯腈活性碳纤维。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明制得的聚丙烯腈介孔活性碳纤维由于具有合适的介孔结构，并兼具较高强度，适合做超级电容器的电极。
附图说明
图1为活性碳孔径与电双层的关系及活性碳与电解液的界面模型。
图2为实施例1制备的超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维的N2等温吸附脱附曲线和BJH孔径分布曲线图。(a)N2等温吸附脱附曲线；(b)BJH孔径分布曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
一种超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维，包括聚丙烯腈活性碳纤维，所述的聚丙烯腈活性碳纤维中分布有介孔。其制备方法为：
将造孔剂聚甲基丙烯酸甲酯(M.W.35,000(沃凯))装入盛有溶剂二甲亚砜的烧瓶中，于50℃下在磁力搅拌器中搅拌12小时，得到含有造孔剂的溶液，其中聚甲基丙烯酸甲酯的浓度为15％。
将聚丙烯腈浆料(聚丙烯腈的浓度为18％，聚丙烯腈的重均分子量12.5万，粘度6500Pa·s)加入所述的含有造孔剂的溶液中，聚丙烯腈浆料与所述的含有造孔剂的溶液的混合重量比例为1∶0.5，在磁力搅拌器中混合、搅拌，在50℃的恒温水浴中加热24小时，然后在恒温水浴中于30℃继续搅拌24小时进行充分混合，取出，在烘箱中于50℃进行脱泡处理，处理时间为24小时，得到混合纺丝原液。
将所述的混合纺丝原液采用湿法纺丝工艺进行纺丝，混合纺丝原液经齿轮计量泵计量，在5μm微孔径过滤器中过滤，从直径为0.08mm喷丝孔中喷出，进入30℃的水/二甲亚砜凝固浴，凝固浴中二甲亚砜的浓度为75％，经水浴牵伸和二次高温牵伸，水浴温度为60℃，牵伸倍数为2倍，二次高温牵伸的牵伸温度为130℃，牵伸倍数为3，用50℃的去离子水清洗多遍，水洗后纤维中的溶剂残留量在0.01wt％以下，上聚二甲基硅氧烷系油剂(由氨基改性聚二甲基硅氧烷(广州市斯洛柯化学有限公司，)和聚醚改性聚二甲基硅氧烷(广州市斯洛柯化学有限公司，)以1∶1的重量比例调配而成)，在80℃干燥后制得混合原丝产品。
将混合原丝在30％的氯化镍磷酸溶液(磷酸的浓度为20％)中浸渍8小时，取出后于80℃烘干。
将浸渍后的混合原丝放入活化炉中，在空气气氛中于250℃恒温预氧化2小时，得到预氧化丝，在活化炉中以流量20ml/min通入惰性气体氮气，将预氧化丝以升温速率10℃/分钟在氮气气氛中升温到750℃，在温度升到700℃开始以流量10ml/min通入活化剂水蒸汽，在750℃恒温1小时，停止通入活化剂水蒸汽，然后在氮气气氛中以10℃/分钟的速率降温至200℃，停止通入惰性气体氮气，随炉冷却至室温后取出，用水洗涤，得到超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维。
测定所获得样品的孔径分布发现，制备的聚丙烯腈介孔活性碳纤维的10～20nm的介孔率为30％、总介孔率为52％。通过纤维强度测试仪测得纤维的强度达到0.58GPa，非常适合做超级电容器的电极。
如图2所示，为实施例1制备的超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维的N2等温吸附脱附曲线和BJH孔径分布曲线图。从图2(a)可看出，所制备的聚丙烯腈介孔活性碳纤维的脱附曲线有滞后环，说明该样品的孔隙以中孔为主。从图2(b)可看出，中孔孔径主要分布在10～20nm和20～30nm之间。
实施例2
一种超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维，包括聚丙烯腈活性碳纤维，所述的聚丙烯腈活性碳纤维中分布有介孔。其制备方法为：
将造孔剂聚乙烯醇(阿拉丁-P119359，MW-31000)装入盛有溶剂N，N-二甲基乙酰胺的烧瓶中，于50℃下在磁力搅拌器中搅拌24小时，得到含有造孔剂的溶液，其中，聚乙烯醇的浓度为20％。
将聚丙烯腈浆料(聚丙烯腈的浓度为18％，聚丙烯腈的重均分子量12.5万，粘度6500Pa·s)加入所述的含有造孔剂的溶液中，聚丙烯腈浆料与所述的含有造孔剂的溶液的混合重量比例为1∶0.6，在磁力搅拌器中混合、搅拌，在50℃的恒温水浴中加热18小时，然后在恒温水浴中于30℃继续搅拌48小时进行充分混合，取出，在烘箱中于50℃进行脱泡处理，处理时间为24小时，得到混合纺丝原液。
将所述的混合纺丝原液采用湿法纺丝工艺进行纺丝，混合纺丝原液经齿轮计量泵计量，在5μm微孔径过滤器中过滤，从直径为0.08mm喷丝孔中喷出，进入30℃的水/N，N-二甲基乙酰胺凝固浴，凝固浴中N，N-二甲基乙酰胺的浓度为70％，经水浴牵伸和二次高温牵伸，水浴温度为60℃，牵伸倍数为3倍，二次高温牵伸的牵伸温度为140℃，牵伸倍数为4，用50℃的去离子水清洗多遍，水洗后纤维中的溶剂残留量在0.01wt％以下，上聚二甲基硅氧烷系油剂(由氨基改性聚二甲基硅氧烷(广州市斯洛柯化学有限公司，))和聚醚改性聚二甲基硅氧烷(广州市斯洛柯化学有限公司，)以1∶1的重量比例调配而成)，在80℃干燥后制得混合原丝产品。
将混合原丝在30％的硝酸镍的磷酸溶液(磷酸的浓度为20％)中浸渍8小时，取出后于80℃烘干。
将浸渍后的混合原丝放入活化炉中，在空气气氛中于250℃恒温预氧化2.5小时，得到预氧化丝，在活化炉中以流量20ml/min通入惰性气体氮气，将预氧化丝以升温速率5℃/分钟在氮气气氛中升温到800℃，在温度升到650℃开始以流量10ml/min通入活化剂水蒸汽，在800℃恒温0.5小时，停止通入活化剂水蒸汽，然后在氮气气氛中以10℃/分钟的速率降温至200℃，停止通入惰性气体氮气，随炉冷却至室温后取出，用水洗涤，得到超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维。
测定所获得样品的孔径分布发现，制备的聚丙烯腈介孔活性碳纤维的10～20nm的介孔率为33％、总介孔率为51％。通过纤维强度测试仪测得纤维的强度达到0.45GPa，非常适合做超级电容器的电极。
实施例3
一种超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维，包括聚丙烯腈活性碳纤维，所述的聚丙烯腈活性碳纤维中分布有介孔。其制备方法为：
将造孔剂聚乙烯吡咯烷酮(GR(沃凯)100g装)装入盛有溶剂二甲亚砜的烧瓶中，于50℃下在磁力搅拌器中搅拌24小时，得到含有造孔剂的溶液，其中，聚乙烯吡咯烷酮的浓度为18％。
将聚丙烯腈浆料(聚丙烯腈的浓度为18％，聚丙烯腈的重均分子量12.5万，粘度6500Pa·s)加入所述的含有造孔剂的溶液中，聚丙烯腈浆料与所述的含有造孔剂的溶液的混合重量比例为1∶0.7，在磁力搅拌器中混合、搅拌，在50℃的恒温水浴中加热24小时，然后在恒温水浴中于30℃继续搅拌36小时进行充分混合，取出，在烘箱中于50℃进行脱泡处理，处理时间为24小时，得到混合纺丝原液。
将所述的混合纺丝原液采用湿法纺丝工艺进行纺丝，混合纺丝原液经齿轮计量泵计量，在5μm微孔径过滤器中过滤，从直径为0.08mm喷丝孔中喷出，进入30℃的水/二甲亚砜凝固浴，凝固浴中二甲亚砜的浓度为70％，经水浴牵伸和二次高温牵伸，水浴温度为80℃，牵伸倍数为2倍，二次高温牵伸的牵伸温度为150℃，牵伸倍数为5，用50℃的去离子水清洗多遍，水洗后纤维中的溶剂残留量在0.01wt％以下，上聚二甲基硅氧烷系油剂(由氨基改性聚二甲基硅氧烷(广州市斯洛柯化学有限公司，))和聚醚改性聚二甲基硅氧烷(广州市斯洛柯化学有限公司，)以1∶1的重量比例调配而成)，在80℃干燥后制得混合原丝产品。
将混合原丝在30％的氯化铂的磷酸溶液(磷酸的浓度为20％)中浸渍8小时，取出后于80℃烘干。
将浸渍后的混合原丝放入活化炉中，在空气气氛中于250℃恒温预氧化3小时，得到预氧化丝，在活化炉中以流量20ml/min通入惰性气体氮气，将预氧化丝以升温速率8℃/分钟在氮气气氛中升温到850℃，在温度升到700℃开始以流量10ml/min通入活化剂水蒸汽，在850℃恒温0.5小时，停止通入活化剂水蒸汽，然后在氮气气氛中以10℃/分钟的速率降温至200℃，停止通入惰性气体氮气，随炉冷却至室温后取出，用水洗涤，得到超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维。
测定所获得样品的孔径分布发现，制备的聚丙烯腈介孔活性碳纤维的10～20nm的介孔率为35％、总介孔率为53％。通过纤维强度测试仪测得纤维的强度达到0.43GPa，非常适合做超级电容器的电极。
实施例4
一种超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维，包括聚丙烯腈活性碳纤维，所述的聚丙烯腈活性碳纤维中分布有介孔。其制备方法为：
将造孔剂聚乙烯醇缩丁醛(阿拉丁15.0-18.0mPa.s，丁醛基70-75％)装入盛有溶剂二甲亚砜的烧瓶中，于50℃下在磁力搅拌器中搅拌24小时，得到含有造孔剂的溶液，其中，聚乙烯醇缩丁醛的浓度为15％。
将聚丙烯腈浆料(聚丙烯腈的浓度为18％，聚丙烯腈的重均分子量12.5万，粘度6500Pa·s)加入所述的含有造孔剂的溶液中，聚丙烯腈浆料与所述的含有造孔剂的溶液的混合重量比例为1∶0.6，在磁力搅拌器中混合、搅拌，在60℃的恒温水浴中加热24小时，然后在恒温水浴中于40℃继续搅拌48小时进行充分混合，取出，在烘箱中于60℃进行脱泡处理，处理时间为24小时，得到混合纺丝原液。
将所述的混合纺丝原液采用湿法纺丝工艺进行纺丝，混合纺丝原液经齿轮计量泵计量，在10μm微孔径过滤器中过滤，从直径为0.05mm喷丝孔中喷出，进入40℃的水/二甲亚砜凝固浴，凝固浴中二甲亚砜的浓度为75％，经水浴牵伸和二次高温牵伸，水浴温度为60℃，牵伸倍数为3倍，二次高温牵伸的牵伸温度为160℃，牵伸倍数为5，用60℃的去离子水清洗多遍，水洗后纤维中的溶剂残留量在0.01wt％以下，上聚二甲基硅氧烷系油剂(由氨基改性聚二甲基硅氧烷(广州市斯洛柯化学有限公司，))和聚醚改性聚二甲基硅氧烷(广州市斯洛柯化学有限公司，)以1∶1的重量比例调配而成)，在80℃干燥后制得混合原丝产品。
将混合原丝在30％的硝酸铂的磷酸溶液(磷酸的浓度为20％)中浸渍8小时，取出后于80℃烘干。
将浸渍后的混合原丝放入活化炉中，在空气气氛中于250℃恒温预氧化2.5小时，得到预氧化丝，在活化炉中以流量20ml/min通入惰性气体氮气，将预氧化丝以升温速率10℃/分钟在氮气气氛中升温到800℃，在温度升到650℃开始以流量10ml/min通入活化剂水蒸汽，在800℃恒温1小时，停止通入活化剂水蒸汽，然后在氮气气氛中以10℃/分钟的速率降温至200℃，停止通入惰性气体氮气，随炉冷却至室温后取出，用水洗涤，得到超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维。
测定所获得样品的孔径分布发现，制备的聚丙烯腈介孔活性碳纤维的10～20nm的介孔率为38％、总介孔率为52％。通过纤维强度测试仪测得纤维的强度达到0.38GPa，适合做超级电容器的电极。
实施例5
一种超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维，包括聚丙烯腈活性碳纤维，所述的聚丙烯腈活性碳纤维中分布有介孔。其制备方法为：
将造孔剂乙酰丙酮镍(国药集团化学试剂有限公司，分析纯)装入盛有溶剂二甲亚砜的烧瓶中，于50℃下在磁力搅拌器中搅拌24小时，得到含有造孔剂的溶液，其中，乙酰丙酮镍的浓度为15％。
将聚丙烯腈浆料(聚丙烯腈的浓度为18％，聚丙烯腈的重均分子量12.5万，粘度6500Pa·s)加入所述的含有造孔剂的溶液中，聚丙烯腈浆料与所述的含有造孔剂的溶液的混合重量比例为1∶0.6，在磁力搅拌器中混合、搅拌，在60℃的恒温水浴中加热24小时，然后在恒温水浴中于40℃继续搅拌48小时进行充分混合，取出，在烘箱中于60℃进行脱泡处理，处理时间为24小时，得到混合纺丝原液。
将所述的混合纺丝原液采用湿法纺丝工艺进行纺丝，混合纺丝原液经齿轮计量泵计量，在10μm微孔径过滤器中过滤，从直径为0.05mm喷丝孔中喷出，进入40℃的水/二甲亚砜凝固浴，凝固浴中二甲亚砜的浓度为75％，经水浴牵伸和二次高温牵伸，水浴温度为60℃，牵伸倍数为3倍，二次高温牵伸的牵伸温度为160℃，牵伸倍数为5倍，用60℃的去离子水清洗多遍，水洗后纤维中的溶剂残留量在0.01wt％以下，上聚二甲基硅氧烷系油剂(由氨基改性聚二甲基硅氧烷(广州市斯洛柯化学有限公司，)和聚醚改性聚二甲基硅氧烷(广州市斯洛柯化学有限公司，)以1∶1的重量比例调配而成)，在80℃干燥后制得混合原丝产品。
将混合原丝在30％的硝酸铂的磷酸溶液(磷酸的浓度为20％)中浸渍8小时，取出后于80℃烘干。
将浸渍后的混合原丝放入活化炉中，在空气气氛中于250℃恒温预氧化2.5小时，得到预氧化丝，在活化炉中以流量20ml/min通入惰性气体氮气，将预氧化丝以升温速率10℃/分钟在氮气气氛中升温到850℃，在温度升到650℃开始以流量10ml/min通入活化剂水蒸汽，在850℃恒温1小时，停止通入活化剂水蒸汽，然后在氮气气氛中以10℃/分钟的速率降温至200℃，停止通入惰性气体氮气，随炉冷却至室温后取出，用水洗涤，得到超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维。
测定所获得样品的孔径分布发现，制备的聚丙烯腈介孔活性碳纤维的10～20nm的介孔率为33％、总介孔率为52.5％。通过纤维强度测试仪测得纤维的强度达到0.40GPa，适合做超级电容器的电极。

Claims (10)

1.一种超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维，其特征在于，包括：聚丙烯腈活性碳纤维，所述的聚丙烯腈活性碳纤维中分布有介孔。
2.如权利要求1所述的超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维，其特征在于，所述的聚丙烯腈活性碳纤维的10～20nm的介孔率≥30％、总介孔率≥50％。
3.如权利要求1所述的超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维，其特征在于，所述的聚丙烯腈活性碳纤维的强度为0.4～1.0GPa。
4.权利要求1-3中任一项所述的超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将有机化合物作为造孔剂加入溶剂中，然后在50～80℃下搅拌3～24小时，得到含有造孔剂的溶液；将聚丙烯腈浆料与所述的含有造孔剂的溶液混合、搅拌，在50～80℃的恒温水浴中加热3～24小时，然后在恒温水浴中于30℃～40℃继续搅拌24～48小时，取出，在烘箱中于50℃～60℃进行脱泡处理，处理时间为24～48小时，得到混合纺丝原液；
步骤2：将步骤1所得的混合纺丝原液采用湿法纺丝工艺进行纺丝，得到混合原丝；
步骤3：将步骤2所得的混合原丝在催化扩孔剂溶液中浸渍5～24小时，在80～120℃烘干后放入活化炉中，在空气气氛中于200～300℃预氧化2～5小时，得到预氧化丝；在活化炉中通入惰性气体，将预氧化丝以升温速率5～10℃/分钟升温到600～900℃，当温度升至750～850℃时开始通入活化剂，在750～850℃恒温5～120分钟，停止通入活化剂，然后以5～10℃/分钟的速率降温至200℃，停止通入惰性气体，随炉冷却后取出，用水或者溶剂洗涤，得到超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维。
5.如权利要求4所述的超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中的有机化合物为乙烯基吡啶、甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚乙烯基吡咯烷酮、低温热解共聚聚丙烯腈、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛、乙酰丙酮镍、乙酰丙酮铂和二茂铁中的至少一种。
6.如权利要求4所述的超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中的含有造孔剂的溶液中有机化合物的浓度为15％～30％。
7.如权利要求4所述的超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中的聚丙烯腈浆料与所述的含有造孔剂的溶液的混合重量比例为1∶0.5-0.8。
8.如权利要求4所述的超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中的湿法纺丝工艺的具体步骤包括：将步骤1制备的混合纺丝原液经齿轮计量泵计量、过滤器过滤后，从喷丝孔中喷出，进入凝固浴，经过牵伸、水洗、上油、干燥后制得混合原丝。
9.如权利要求4所述的超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中的催化扩孔剂溶液为过渡金属盐的水溶液和过渡金属盐的酸溶液的至少一种。
10.如权利要求4所述的超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中的活化剂为水蒸汽、KOH溶液、CO2或它们的混合物。
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