CN106835363B - 一种用于超级电容器的中空碳纤维材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于超级电容器的中空碳纤维材料的制备方法。所述方法包括以下步骤：1)将ZIF‑8纳米粒子超声分散在N,N‑二甲基甲酰胺中，加入聚丙烯腈，搅拌至ZIF‑8纳米粒子和聚丙烯腈混合均匀；2)以混合溶液作为纺丝溶液，采用静电纺丝技术，得到ZIF‑8‑PAN的纳米纤维；3)将ZIF‑8‑PAN纤维在惰性气体条件下，于700‑900℃下碳化，得到中空碳纤维材料。本发明制备的碳纤维具有有序的微孔‑介孔结构，具有良好的导电性，比电容可达332F g‑1，电容性能显著增强，明显的高于直接碳化ZIF‑8得到的碳材料，且比电容稳定，循环5000次后，比电容基本没有变化，可作为电容器电极材料，在超级电容器领域具有广泛的应用潜能。

Description

一种用于超级电容器的中空碳纤维材料的制备方法
技术领域
本发明属于新能源材料领域，具体涉及一种用于超级电容器的中空碳纤维材料的制备方法。
背景技术
超级电容器，又叫电化学电容器，由于具有高的能量密度，充放电快，长的循环寿命等优异性能，引起人们越来越多的关注。碳材料，尤其是多孔碳材料具有比表面高，无毒，易制备等优点，被广泛的应用于超级电容器领域。然而，传统热解有机物得到的碳材料结构混乱，尺寸大小不均一，限制了其应用。
近年来，有机金属骨架材料(MOF)作为前驱体制备的碳材料，由于具有高的比表面，杂原子，有序的微孔/介孔结构，广泛应用于催化、电化学、分析等领域。许强课题组(J.Am.Chem.Soc.,2008,130,5390-5391)首次报道了将MOF-5在氮气条件下热解得到碳材料，并应用于超级电容器方面。但是，由于MOF材料本身的性质，导致得到的碳材料含有很多的微孔，这些微孔阻碍了电子的传递，影响了其电容性能。目前，虽然以MOF为前驱制备的碳材料克服了比表面，有序结构的问题，利用MOF作为前驱体制备的碳材料比电容一般在100-300F g-1，作为影响电容材料性能的另一重要因素——导电性并没有提高，与传统的碳材料相比，并没有明显的优势。因此，将MOF作为前驱体制备的碳材料应用于超级电容器方面依然存在很大的挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于超级电容器的中空碳纤维材料的制备方法，该方法通过静电纺丝技术，将金属有机骨架材料ZIF-8制备成纤维，再经碳化得到中空碳纤维材料。该方法制得的中空碳纤维材料导电性提高，进而电容性能显著增强。
实现本发明目的技术方案如下：
一种用于超级电容器的中空碳纤维材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，将金属有机骨架材料ZIF-8超声分散在N,N-二甲基甲酰胺中，配制浓度为0.04-0.12g/mL的ZIF-8分散液，加入与ZIF-8的质量比为4：(1～3)的聚丙烯腈(PAN)，搅拌至混合均匀，得到静电纺丝溶液；
步骤2，设置纺丝电压的正压为10-12千伏，负压为1-3千伏，推注速率为0.3-0.5mL/h，将步骤1得到的静电纺丝溶液进行静电纺丝，得到ZIF-8-PAN纤维；
步骤3，将步骤2得到的ZIF-8-PAN纤维在惰性气氛下，于700-900℃下碳化，升温速率为2-10℃/min，得到中空碳纤维材料。
优选地，步骤1中，所述的搅拌温度为60-70℃。
与现有技术相比，本发明方法简单，制得的中空碳纤维的比电容可达332F g-1，电容性能显著增强，明显的高于直接碳化ZIF-8得到的碳材料，且比电容稳定，循环5000次后，比电容基本没有变化，可作为电容器电极材料，在超级电容器领域具有广泛的应用潜能。
附图说明
图1为ZIF-8和ZIF-8-PAN纤维的PXRD图。
图2为实施例1的中空碳纤维材料的扫描电镜图。
图3为实施例1的中空碳纤维材料的透射电镜图。
图4为实施例1的中空碳纤维材料的循环伏安图。
图5为实施例1的中空碳纤维材料在1A g-1下的充放电图。
图6为实施例1的中空碳纤维材料在1A g-1条件下5000次循环稳定性图。
图7为实施例2的中空碳纤维材料的透射电镜图。
图8为实施例3的中空碳纤维材料的透射电镜图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
实施例1
步骤1，将0.6g ZIF-8粉末溶于5mL的N,N二甲基甲酰胺，超声使其完全分散，加入0.8g的聚丙烯腈，在60℃下，磁力搅拌使ZIF-8纳米粒子和PAN混合均匀。
步骤2，将步骤1得到的混合溶液倒入5mL的注射器中，利用静电纺丝技术，正压为10千伏，负压为2千伏，推注速率为0.3mL/h，得到ZIF-8-PAN纤维。
步骤3，在惰性气氛下，将ZIF-8-PAN纤维于700℃下碳化，升温速率为2℃/min，得到中空碳纤维材料。
图1为ZIF-8-PAN纤维XRD测试结果图，从图中可以看出纤维中含有ZIF-8。图2为中空碳纤维材料的扫描电镜图，图3为中空碳纤维材料的透射电镜图，从图2和图3中可以看出，纤维材料呈清晰的中空结构，纤维上的中空立方结构是由ZIF-8在碳化过程中形成的。
利用上海晨华公司生产的CHI660E型电化学工作站测其电化学性能。以循环伏安法(CV)和充电-放电方法在1.0A g-1电流密度下，测得比电容为332F g-1(如图4-5所示)，5000次循环后，比电容基本没有变化(图6)。
实施例2
步骤1，将0.2g ZIF-8粉末溶于5mL的N,N二甲基甲酰胺，超声使其完全分散，加入0.8g的聚丙烯腈，在60℃下，磁力搅拌使ZIF-8纳米粒子和PAN混合均匀。
步骤2，将步骤1得到的混合溶液倒入5mL的注射器中，利用静电纺丝技术，正压为11千伏，负压为1千伏，推注速率为0.5mL/h，得到ZIF-8-PAN纤维。
步骤3，在惰性气氛下，将ZIF-8-PAN纤维于900℃下碳化，升温速率为5℃/min，得到中空碳纤维材料，如图7所示。以循环伏安法(CV)和充电-放电方法在1.0A g-1电流密度下，测得比电容为125F g-1，循环5000次后，比电容基本没有变化。
实施例3
步骤1，将0.2g ZIF-8粉末溶于5mL的N,N二甲基甲酰胺，超声使其完全分散，加入0.8g的聚丙烯腈，在70℃下，磁力搅拌使ZIF-8纳米粒子和PAN混合均匀。
步骤2，将步骤1得到的混合溶液倒入5mL的注射器中，利用静电纺丝技术，正压为12千伏，负压为3千伏，推注速率为0.5mL/h，得到ZIF-8-PAN纤维。
步骤3，在惰性气氛下，将ZIF-8-PAN纤维于800℃下碳化，升温速率为10℃/min，得到中空碳纤维材料，如图8所示。以循环伏安法(CV)和充电-放电方法在1.0A g-1电流密度下，测得比电容为280F g-1，循环5000次后，比电容基本没有变化。

Claims (2)

1.一种用于超级电容器的中空碳纤维材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，将金属有机骨架材料ZIF-8超声分散在N,N-二甲基甲酰胺中，配制浓度为0.04-0.12g/mL的ZIF-8分散液，加入与ZIF-8的质量比为4：(1～3)的聚丙烯腈，搅拌至混合均匀，得到静电纺丝溶液；
步骤2，设置纺丝电压的正压为10-12千伏，负压为1-3千伏，推注速率为0.3-0.5mL/h，将步骤1得到的静电纺丝溶液进行静电纺丝，得到ZIF-8-PAN纤维；
步骤3，将步骤2得到的ZIF-8-PAN纤维在惰性气氛下，于700-900℃下碳化，升温速率为2-10℃/min，得到中空碳纤维材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的搅拌温度为60-70℃。
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