CN107217523A - 一种用于超级电容器的新型杂化纤维炭纸的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明特别涉及一种用于超级电容器的新型杂化纤维炭纸的制备方法。该用于超级电容器的新型杂化纤维炭纸的制备方法，以木材为前驱体，通过造纸工艺，木材经蒸煮形成浆料，再经洗涤、筛选、打浆形成纸浆，最后经抄纸过程形成纤维纸张；将纤维纸张通过化学镀的方法完成金属负载，在氮气保护下，高温煅烧形成新型杂化纤维炭纸材料。该用于超级电容器的新型杂化纤维炭纸的制备方法，以木材为原料，原料丰富，节能降耗，通过抄纸工艺使其结构形成纤维状，再经简单的化学镀和炭化方法，高效的形成稳定的杂化炭纤维纸，拓宽了生物质能源形貌可控的研究、生物质基炭材料的制备以及超级电容器的应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及杂化炭纤维技术领域，特别涉及一种用于超级电容器的新型杂化纤维炭纸的制备方法。
背景技术
炭纤维具有孔隙结构发达、热力学性能稳定、价廉且易实现产业化等优势，被广泛应用于超级电容器的研究，以此来应对日益严峻的能源和环境问题。但是由于木材结构比较复杂，传统技术难以实现木质基炭材料形貌和孔结构的可控制备，影响其在超级电容器中的应用。
通过造纸手段将木材无定形微观结构转化为纤维结构，并结合杂化技术控制炭材料的结构和组成等特征，以此提高炭材料的导电性，润湿性和活性位点，进而增强超级电容器的比电容，倍率性能和稳定性，制备出具有高能量密度和功率密度的碳基超级电容器。因此，对木材基纤维纸进行简单高效的金属化合物的掺杂可以优化其性能，提高材料表面活性位点从而进一步实现高能量密度和高功率密度的超级电容器的制备。
造纸作为中国具有悠久的历史以及传统的工艺，在国民经济中具有一定的地位和作用，得到的纸张具有吸附能力强，柔韧性可控等优点；同时可以通过造纸工艺将木材这一无定形的微观结构转换为微观纤维状结构。同时，造纸工艺成本较低，效率很高，在很多应用方面表现出更优异的性能，已成为一种成熟传统的商业工艺。此外，化学镀方法，仅需浸渍的方式就可将金属氧化物及金属负载在纤维纸张上，进一步通过简单的煅烧方法形成杂化纤维炭纸材料，此方法简单，高效，具有重要的现实意义和应用价值。
欧洲专利（EP1009048）介绍了一种用于燃料电池的炭纤维纸的制备方法。主要是通过混合具有导电结构的石墨结构制备炭纤维纸，并应用于燃料电池。此方法要求的制备条件相对比较复杂，且混合会导致导电不均匀，具有一定的应用局限性。
韩国专利（KR20140092154）介绍了一种沉积Pan纤维的方法制备炭纤维，涉及到炭纤维领域。通过将Pan纤维进行沉析方法形成炭纤维纸，孔隙度大，提高了纸张增强性，且提高了纸张的弹性系数。此方法具有重要的研究意义，相对制备条件复杂，成本较高，可控性较差。
日本专利（WO2003087470）介绍了一种炭纤维与多孔炭相结合的方法制备燃料电池。此方法设计到结合反应，通过制备二次混合结合提高燃料电池性能。燃料电池的性能效果好，但耗用成本较高，且会混合不均匀，需开发一种成本低，混合均匀且高效的方法。
公开号CN102146641A的中国专利介绍了碳纳米管植入法改性炭纤维纸的制造工艺。通过先分散制备好的或商业化的碳纳米管，用酚醛树脂溶液作粘接剂，把分散好的碳纳米管均匀地涂覆在用传统方法制备的炭纸表面，碳纳米管就会被粘接到炭纸上，因为具有“钉扎作用”碳纳米管会垂直于附着的炭纸表面，再炭化；最后还可以用化学气相沉积的方法，通过沉积热解炭把碳纳米管牢固地固定在炭纸的表面。该发明专利可以大面积地、批量化地在炭纸表面植入碳纳米管，该方法不仅成本低，操作简单，而且可以显著地增加碳纳米管在炭纸表面的附着力，使得碳纳米管不易剥落，而且不会带入其它不利的元素。但是此方法需要涂覆、粘接再炭化的方式，使其不可控因素太多，有待于工艺简单化。
公开号为CN1598141的中国专利介绍了一种炭纤维纸及其制法。采用将分散剂、一次粘结剂、炭纤维丝混合物放入水中，打浆形成悬浮液，用常规湿法抄纸技术将悬浮液进行抄纸，将成型纸在二次粘结剂溶液中浸渍，浸渍后的碳纸在干燥，炭化。该发明专利具有制备工艺简单、电阻率低、强度高、可实现工业化生产的优点。此方法制备过程简单、可循环使用。然而对炭纤维的分散性与纸张的结合性以及比表面积等方法的突破仍有待于研究。
公开号CN1598142的中国专利介绍了一种炭纤维纸及其制备方法。此方法采用将分散剂、纤维素浆、炭纤维丝混合物打浆形成悬浮液，用常规湿法抄纸技术将悬浮液进行抄纸，将纸在无机催化剂溶液中浸渍，再在粘结剂溶液中浸渍,浸渍后的纸干燥，炭化。该发明专利具有电阻率低、导电率高、强度高、制备方法简单的优点。此方法操作简单，周期短，合成效率高，重复性好，且对环境绿色无污染，应用在燃料电池催化剂，导电材料领域。然而，其合成效率较低，重复性一般，需要考虑结合度等因素。
综上所述，选用常见的木质生物质为前驱体通过成熟的转化技术、简单的杂化方法，精确的煅烧工艺制备新型杂化纤维炭纸张，且用于超级电容器的初步研究，简单制备工艺，省时节能、高效易产业化备受关注。基于此，本发明提出了一种用于超级电容器的新型杂化纤维炭纸的制备方法，选用常见的木材为前驱体，通过抄纸技术、化学镀浸渍，煅烧工艺制备，简单，高效的制备出用于超级电容器的新型杂化纤维炭纸的制备方法。
发明内容
本发明为了弥补现有技术的缺陷，提供了一种使用方便，灵活，高效的用于超级电容器的新型杂化纤维炭纸的制备方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种用于超级电容器的新型杂化纤维炭纸的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）以木材为前驱体，通过造纸工艺，木材经蒸煮形成浆料；
（2）浆料经洗涤、筛选、打浆形成纸浆，然后经抄片机抄纸过程形成纤维纸张；
（3）将纤维纸张浸渍在化学镀Ni溶液中，完成金属负载反应后干燥，得到杂化纤维纸张；
（4）在氮气保护下，将得到的杂化纤维纸张高温煅烧，形成新型杂化纤维炭纸材料；得到的新型杂化纤维炭纸材料具有一定的导电性能及电化学稳定性，可以应用于超级电容器领域。
所述步骤（1）中，以针叶或者落叶松为前驱体，采用传统的造纸工艺，木屑用12%~18%氢氧化钠溶液，在150~180 ℃蒸煮2~4 h形成浆料。
所述步骤（2）中，先将浆料用清水洗涤至pH=7，然后用筛浆机除去未成浆的固体木渣，并通过打浆完成细纤维化过程，打浆度为20~60 °SR，抄片机抄纸过程的成纸定量为30g/m2~120 g/m2。
所述步骤（3）中，化学镀Ni溶液由NiSO4，亚氨基二乙酸，NaOH溶液，N2H4和去离子水组成；纤维纸张浸渍在化学镀Ni溶液中，于60℃~80℃下反应1h，然后在80~100℃温度下干燥得到杂化纤维纸张。
所述化学镀Ni溶液由100~200 mg NiSO4，100~200 mg亚氨基二乙酸，100~200 μL质量分数为32%的NaOH溶液，400~600 μL N2H4，10~20 mL去离子水组成。
所述步骤（4）中，杂化纤维纸张在氮气保护下，700~900℃高温煅烧2h后形成新型杂化纤维炭纸材料。
本发明的有益效果是：该用于超级电容器的新型杂化纤维炭纸的制备方法，以木材为原料，原料丰富，节能降耗；通过抄纸工艺使其结构形成纤维状，再经简单的化学镀和炭化方法，高效的形成稳定的杂化炭纤维纸，拓宽了生物质能源形貌可控的研究、生物质基炭材料的制备以及超级电容器的应用领域。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图1为本发明新型杂化纤维炭纸基超级电容器的循环伏安曲线图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行详细的说明。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
该用于超级电容器的新型杂化纤维炭纸的制备方法，包括以下步骤：
（1）以木材为前驱体，通过造纸工艺，木材经蒸煮形成浆料；
（2）浆料经洗涤、筛选、打浆形成纸浆，然后经抄片机抄纸过程形成纤维纸张；
（3）将纤维纸张浸渍在化学镀Ni溶液中，完成金属负载反应后干燥，得到杂化纤维纸张；
（4）在氮气保护下，将得到的杂化纤维纸张高温煅烧，形成新型杂化纤维炭纸材料；得到的新型杂化纤维炭纸材料具有一定的导电性能及电化学稳定性，可以应用于超级电容器领域。
所述步骤（1）中，以针叶或者落叶松为前驱体，采用传统的造纸工艺，木屑用12%~18%氢氧化钠溶液，在150~180 ℃蒸煮2~4 h形成浆料。
所述步骤（2）中，先将浆料用清水洗涤至pH=7，然后用筛浆机除去未成浆的固体木渣，并通过打浆完成细纤维化过程，打浆度为20~60 °SR，抄片机抄纸过程的成纸定量为30g/m2~120 g/m2。
所述步骤（3）中，化学镀Ni溶液由NiSO4，亚氨基二乙酸，NaOH溶液，N2H4和去离子水组成；纤维纸张浸渍在化学镀Ni溶液中，于60℃~80℃下反应1h，然后在80~100℃温度下干燥得到杂化纤维纸张。
所述化学镀Ni溶液由100~200 mg NiSO4，100~200 mg亚氨基二乙酸，100~200 μL质量分数为32%的NaOH溶液，400~600 μL N2H4，10~20 mL去离子水组成。
所述步骤（4）中，杂化纤维纸张在氮气保护下，700~900℃高温煅烧2h后形成新型杂化纤维炭纸材料。
实施例1：
选用落叶松为前驱体，木屑用质量分数为12%的氢氧化钠溶液，在180 ℃蒸煮4 h形成浆料，再经去离子水洗涤至pH=7、筛浆机筛选、打浆形成纸浆，打浆度为60 °SR，最后经经抄片机抄纸过程形成纸张，成纸定量为120 g/m2。将纤维纸张浸渍在化学镀Ni溶液（100 mgNiSO4，100 mg亚氨基二乙酸，200 μL32%浓度的NaOH溶液，500 μL N2H4，10 mL去离子水）中完成金属负载，80 ℃反应 1h。经100℃干燥后，得到杂化纤维纸张，再在氮气保护下，700℃煅烧温度下煅烧2 h后形成炭材料得到新型杂化纤维炭纸，且能有效的应用于超级电容器。
实施例2：
选用落叶松为前驱体，木屑用质量分数为15%的氢氧化钠溶液，在160 ℃蒸煮3 h形成浆料，再经去离子水洗涤至pH=7、筛浆机筛选、打浆形成纸浆，打浆度为50 °SR，最后经经抄片机抄纸过程形成纸张，成纸定量为100 g/m2。将纤维纸张浸渍在化学镀Ni溶液（150 mgNiSO4，150 mg亚氨基二乙酸，200 μL32%浓度的NaOH溶液，600 μL N2H4，20 mL去离子水）中完成金属负载，80 ℃反应 1h。经90℃干燥后，得到杂化纤维纸张，再在氮气保护下，700 ℃煅烧温度下煅烧2 h后形成炭材料得到新型杂化纤维炭纸，且能有效的应用于超级电容器。
实施例3：
选用落叶松为前驱体，木屑用质量分数为18%的氢氧化钠溶液，在150 ℃蒸煮2 h形成浆料，再经去离子水洗涤至pH=7、筛浆机筛选、打浆形成纸浆，打浆度为20 °SR，最后经经抄片机抄纸过程形成纸张，成纸定量为80 g/m2。将纤维纸张浸渍在化学镀Ni溶液（200 mgNiSO4，150 mg亚氨基二乙酸，200 μL32%浓度的NaOH溶液，600 μL N2H4，20 mL去离子水）中完成金属负载，80℃反应 1h。经85℃干燥后，得到杂化纤维纸张，再在氮气保护下，800℃煅烧温度下煅烧2 h后形成炭材料得到新型杂化纤维炭纸，且能有效的应用于超级电容器。
实施例4：
选用落叶松为前驱体，木屑用质量分数为16%的氢氧化钠溶液，在170 ℃蒸煮4 h形成浆料，再经去离子水洗涤至pH=7、筛浆机筛选、打浆形成纸浆，打浆度为40 °SR，最后经经抄片机抄纸过程形成纸张，成纸定量为30 g/m2。将纤维纸张浸渍在化学镀Ni溶液（100 mgNiSO4，150 mg亚氨基二乙酸，100 μL32%浓度的NaOH溶液，400 μL N2H4，10 mL去离子水）中完成金属负载，60 ℃反应 1h。经100℃干燥后，得到杂化纤维纸张，再在氮气保护下，800℃煅烧温度下煅烧2 h后形成炭材料得到新型杂化纤维炭纸，且能有效的应用于超级电容器。
实施例5：
选用针叶为前驱体，木屑用质量分数为14%的氢氧化钠溶液，在165 ℃蒸煮3.5 h形成浆料，再经去离子水洗涤至pH=7、筛浆机筛选、打浆形成纸浆，打浆度为30 °SR，最后经经抄片机抄纸过程形成纸张，成纸定量为50 g/m2。将纤维纸张浸渍在化学镀Ni溶液（200 mgNiSO4，200 mg亚氨基二乙酸，100 μL32%浓度的NaOH溶液，600 μL N2H4，20 mL去离子水）中完成金属负载，70 ℃反应 1h。经95℃干燥后，得到杂化纤维纸张，再在氮气保护下，900 ℃煅烧温度下煅烧2 h后形成炭材料得到新型杂化纤维炭纸，且能有效的应用于超级电容器。
Claims (6)
1.一种用于超级电容器的新型杂化纤维炭纸的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）以木材为前驱体，通过造纸工艺，木材经蒸煮形成浆料；
（2）浆料经洗涤、筛选、打浆形成纸浆，然后经抄片机抄纸过程形成纤维纸张；
（3）将纤维纸张浸渍在化学镀Ni溶液中，完成金属负载反应后干燥，得到杂化纤维纸张；
（4）在氮气保护下，将得到的杂化纤维纸张高温煅烧，形成新型杂化纤维炭纸材料；得到的新型杂化纤维炭纸材料具有一定的导电性能及电化学稳定性，可以应用于超级电容器领域。
2.根据权利要求1所述的用于超级电容器的新型杂化纤维炭纸的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，以针叶或者落叶松为前驱体，采用传统的造纸工艺，木屑用12%~18%氢氧化钠溶液，在150~180 ℃蒸煮2~4 h形成浆料。
3.根据权利要求1所述的用于超级电容器的新型杂化纤维炭纸的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，先将浆料用清水洗涤至pH=7，然后用筛浆机除去未成浆的固体木渣，并通过打浆完成细纤维化过程，打浆度为20~60 °SR，抄片机抄纸过程的成纸定量为30 g/m2~120 g/m2。
4.根据权利要求1所述的用于超级电容器的新型杂化纤维炭纸的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，化学镀Ni溶液由NiSO4，亚氨基二乙酸，NaOH溶液，N2H4和去离子水组成；纤维纸张浸渍在化学镀Ni溶液中，于60℃~80℃下反应1h，然后在80~100℃温度下干燥得到杂化纤维纸张。
5.根据权利要求4所述的用于超级电容器的新型杂化纤维炭纸的制备方法，其特征在于：所述化学镀Ni溶液由100~200 mg NiSO4，100~200 mg亚氨基二乙酸，100~200 μL质量分数为32%的NaOH溶液，400~600 μL N2H4，10~20 mL去离子水组成。
6.根据权利要求1所述的用于超级电容器的新型杂化纤维炭纸的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中，杂化纤维纸张在氮气保护下，700~900℃高温煅烧2h后形成新型杂化纤维炭纸材料。
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