CN106521717B - 一种高比表面积多孔碳纤维的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高比表面积多孔碳纤维的制备方法，包括以下步骤：将包括聚丙烯腈、造孔剂和N,N‑二甲基甲酰胺的纺丝液进行静电纺丝后碳化，经过热碱洗干燥后得到高比表面多孔碳纤维。本发明引入了纳米二氧化硅作为造孔剂，使用热碱洗法去除纤维的二氧化硅，制备的多孔碳纤维具有高比表面和丰富的微孔、介孔。

Description

一种高比表面积多孔碳纤维的制备方法
技术领域
本发明涉及多孔纤维材料技术领域，特别涉及一种高比表面积多孔碳纤维的制备方法。
背景技术
碳纤维由于其独特的结构以及特性被广泛地用做大分子吸收材料、超级电容器、电池、催化剂载体、气体或液体的过滤以及场发射显示材料等。静电纺丝法是制备碳纤维的一种非常简便而且高效的方法，并且由于成本低廉受到了大家的广泛关注。但是普通的静电纺丝法制备的碳纤维是无孔结构的碳纤维，比表面积都较低，这大大限制了碳纤维的应用。针对这个缺点，近年来高比表面多孔碳纤维及其制备引起了人们广泛的研究兴趣，成为研究开发的热点。
文献表面多孔碳纤维虽然有高的比表面积，但其多数是由微孔表面产生，离子迁移阻力大，导致其功率特性和频率响应特性欠佳。而含有介孔的碳纤维具有较大的比表面积、独特的孔径结构、良好的导电性等优点，能够提供巨大的反应界面、快速的离子传输通道。同时，含有介孔的碳纤维有利于活性物质的均匀负载、锂离子的输运、电解质溶液的扩散以及缓冲锂离子化，因此是一种良好的电极材料载体。然而目前关于制备含有介孔的碳纤维的方法主要是以软模板法、硬模板法或者是将PMMA、氯化铵、偶氮二甲酸二异丙酯等造孔剂加入到纺丝原液中，通过煅烧造孔为主。但是，一般通过煅烧产生的微孔由于无法浸润而无法提高材料的性能，因此发展一种性能更优越的适用于作为催化剂载体、超级电容器以及锂离子电池等方面的多孔碳纤维具有非常重要的意义。
发明内容
针对以上技术的不足，本发明的目的在于提供一种高比表面积多孔碳纤维的制备方法。
为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：
一种高比表面积多孔碳纤维的制备方法，包括以下步骤：将包括聚丙烯腈、造孔剂和N,N-二甲基甲酰胺的纺丝液进行静电纺丝后碳化，经过热碱洗干燥后得到所述高比表面多孔碳纤维。
所述聚丙烯腈、造孔剂和N,N-二甲基甲酰胺的重量份配比为1：0.04-0.2：5-10；
所述的聚丙烯腈为市售产品，数均分子量为50w-300w；
所述致孔剂为纳米二氧化硅，尺寸为7-14nm。
所述碳化步骤依次包括在空气中的预氧化和惰性气氛中的高温碳化。
所述预氧化步骤中，温度为180-250℃，时间为1-4小时。
所述高温碳化步骤中，温度为700~900℃，碳化时间为1~3小时，之后自然降温冷却，整个过程保持在惰性气氛中。
所述热碱洗步骤中，碱选自氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种；所述碱的浓度为0.5-2M；时间为12小时，温度为100℃。热碱洗的目的是为了除去纤维内部的二氧化硅。
由于上述本发明提供的高比表面多孔碳纤维具有高比表面，而且同时具有微孔和介孔结构，使得该高比表面多孔碳纤维对于离子的传质有着很好的优势。因而，本发明的多孔碳纤维适合在制备超级电容器、锂离子电池、催化剂载体中的应用。
本发明的有益效果在于：
本发明的碳纤维具有非常高的比表面积，同时兼具微孔和介孔结构，特别适用于在制备超级电容器、锂离子电池、催化剂载体中的应用。
与现有高比表面碳纤维制备方法相比，本发明提供的方法具有如下优点：与现有的制备多孔碳纤维的方法不同，本发明引入了纳米二氧化硅作为造孔剂，使用热碱洗法去除纤维的二氧化硅，而非现有的碱活化法、蒸汽活化法以及热分解性共聚物造孔法等，制备的多孔碳纤维具有高比表面和丰富的微孔和介孔结构。
附图说明
图1为本发明方法制备的高比表面积碳纤维的SEM照片。
图2为本发明实施例一制备的碳纤维的氮气吸附脱附等温线。
具体实施方式
实施例1：将1重量份的聚丙烯腈，0.04重量份的造孔剂加入到6重量份的N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，充分搅拌分散得静电纺丝原液；
将静电纺丝原液在静电纺丝设备上进行纺丝得到纤维(前驱体纤维)，静电纺丝参数为：纺丝针头G30，纺丝电压25kV，纺丝距离20cm；将纤维在180℃下预氧化4小时，之后，将固化纤维胶置于管式碳化炉中，在氮气的保护下从室温以5℃/min的加热速率升温至700℃，恒温碳化3小时，自然降温冷却后放入温度为100℃的0.5M的氢氧化钠溶液中加热12小时，把碱冲洗干净后烘干得到高比表面积多孔碳纤维。如图1、2所示，在77K下进行氮气吸附测试比表面积为840m2/g，微孔比表面积为428m2/g，平均孔径大小为2.34nm。
实施例2：将1重量份的聚丙烯腈，0.2重量份的造孔剂加入到5重量份的N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，充分搅拌分散得静电纺丝原液；
将静电纺丝原液在静电纺丝设备上进行纺丝得到纤维(前驱体纤维)，静电纺丝参数为：纺丝针头G30，纺丝电压25kV，纺丝距离20cm；将纤维在250℃下预氧化1小时，之后，将固化纤维胶置于管式碳化炉中，在氮气的保护下从室温以5℃/min的加热速率升温至900℃，恒温碳化1小时，自然降温冷却后放入温度为100℃的2M的氢氧化钠溶液中加热12小时，把碱冲洗干净后烘干得到高比表面积多孔碳纤维。
实施例3：将1重量份的聚丙烯腈，0.1重量份的造孔剂加入到10重量份的N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，充分搅拌分散得静电纺丝原液；
将静电纺丝原液在静电纺丝设备上进行纺丝得到纤维(前驱体纤维)，静电纺丝参数为：纺丝针头G30，纺丝电压25kV，纺丝距离20cm；将纤维在200℃下预氧化2小时，之后，将固化纤维胶置于管式碳化炉中，在氮气的保护下从室温以5℃/min的加热速率升温至800℃，恒温碳化2小时，自然降温冷却后放入温度为100℃的1M的氢氧化钠溶液中加热12小时，把碱冲洗干净后烘干得到高比表面积多孔碳纤维。
实施例4：将1重量份的聚丙烯腈，0.05重量份的造孔剂加入到6重量份的N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，充分搅拌分散得静电纺丝原液；
将静电纺丝原液在静电纺丝设备上进行纺丝得到纤维(前驱体纤维)，静电纺丝参数为：纺丝针头G30，纺丝电压25kV，纺丝距离20cm；将纤维在220℃下预氧化2小时，之后，将固化纤维胶置于管式碳化炉中，在氮气的保护下从室温以5℃/min的加热速率升温至900℃，恒温碳化3小时，自然降温冷却后放入温度为100℃的0.5M的氢氧化钠溶液中加热12小时，把碱冲洗干净后烘干得到高比表面积多孔碳纤维。

Claims (1)

1.一种高比表面积多孔碳纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将1重量份的聚丙烯腈，0.04重量份的尺寸为7-14nm的纳米二氧化硅加入到6重量份的N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，充分搅拌分散得静电纺丝原液；
(2)将静电纺丝原液在静电纺丝设备上进行纺丝得到前驱体纤维，静电纺丝参数为：纺丝针头G30，纺丝电压25kV，纺丝距离20cm；然后将前驱体纤维在180℃下预氧化4小时，得到固化纤维胶；
(3)将固化纤维胶置于管式碳化炉中，在氮气的保护下从室温以5℃/min的加热速率升温至700℃，恒温碳化3小时，自然降温冷却后放入温度为100℃的0.5M的氢氧化钠溶液中加热12小时，把碱冲洗干净后烘干，得到高比表面积多孔碳纤维。
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