CN109023558A - 一种实现碳材料氮掺杂的静电纺丝装置及静电纺丝方法 - Google Patents

一种实现碳材料氮掺杂的静电纺丝装置及静电纺丝方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109023558A
CN109023558A CN201811124809.XA CN201811124809A CN109023558A CN 109023558 A CN109023558 A CN 109023558A CN 201811124809 A CN201811124809 A CN 201811124809A CN 109023558 A CN109023558 A CN 109023558A
Authority
CN
China
Prior art keywords
gas
carbon material
reception
doping
collection plate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201811124809.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN109023558B (zh
Inventor
倪红军
朱杨杨
朱昱
汪兴兴
李志扬
黄明宇
廖萍
吕帅帅
沈威钢
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nantong University
Original Assignee
Nantong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nantong University filed Critical Nantong University
Priority to CN201811124809.XA priority Critical patent/CN109023558B/zh
Publication of CN109023558A publication Critical patent/CN109023558A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109023558B publication Critical patent/CN109023558B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007—Electro-spinning
    • D01D5/0061—Electro-spinning characterised by the electro-spinning apparatus
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007—Electro-spinning
    • D01D5/0061—Electro-spinning characterised by the electro-spinning apparatus
    • D01D5/0076—Electro-spinning characterised by the electro-spinning apparatus characterised by the collecting device, e.g. drum, wheel, endless belt, plate or grid
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H1/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
    • D04H1/70—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres
    • D04H1/72—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged
    • D04H1/728—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged by electro-spinning

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Inorganic Fibers (AREA)
  • Spinning Methods And Devices For Manufacturing Artificial Fibers (AREA)

Abstract

本发明涉及一种实现碳材料氮掺杂的静电纺丝装置及静电纺丝方法，包括微型供液泵和供电装置，在微型供液泵的上方设有与微型供液泵连通的供液装置，所述供液装置的针尖与供电装置及直流高压正极相连，距离供液装置的针尖竖直方向10‑20cm处放置与直流高压负极相连的接收装置，所述接收装置包括接收集气板，且接收集气板内部装有加热元件；所述接收集气板的上表面分布数个排气孔，所述接收集气板上固定有接收箔，且所述接收集气板还通过气阀与气体储存罐连通。本发明的优点在于：通过本发明能实现碳材料的膜状可控制备，制备出的纤维膜具有优异的孔结构，同时也同步实现了对碳材料的掺氮，提高了碳材料中的含氮量。

Description

一种实现碳材料氮掺杂的静电纺丝装置及静电纺丝方法
技术领域
本发明属于静电纺丝技术领域，特别涉及一种实现碳材料氮掺杂的静电纺丝装置及静电纺丝方法。
背景技术
氮掺杂碳材料的合成主要有三种方法，第一种为前掺杂或原位掺杂，是在石墨结构形成时同步掺入氮原子，比如气相沉积法，这种方法能获得较高的氮含量，但无法批量生产；第二种为后掺杂，是通过对碳材料（石墨烯、碳纳米管、炭黑等）进行氧化、热解、取代等后处理掺入氮原子。因为这些碳材料的石墨层早已形成，因此氮原子无法进入，所以一般这种制备的氮掺杂碳材料的氮含量不高；第三种方法是直接热解法，通过直接热解含氮前驱体获得氮掺杂碳材料。目前这种方法因其简单便捷被广泛使用。但也存在一些缺陷，比如高温热解导致活性氮的大量损失、无法控制内部孔结构等。
原位掺杂的热解温度对C=C和C-N的形成影响最大，较高的热解温度有利于形成C=C。虽然原位掺杂法取得了一定的成功，但价格昂贵、条件苛刻难以控制。后掺杂法是氮原子对化学性质稳定的碳材料进行掺杂，这些材料的石墨层早已形成，掺杂进入其石墨层的难度很大。因此，一般采取氧化的方式提高碳材料的活性再进行有效掺杂，这种方法可产生更多的空位缺陷，有利于掺杂剂与碳材料形成自由键。直接热解法是通过热解含氮有机前驱体来制备氮掺杂碳材料的方法，具有前两种方法不能比拟的优势，能合成具有可控结构的氮掺杂碳材料，但在其作为非金属催化剂时性能还有待提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够有效实现碳材料的氮掺杂的静电纺丝装置及静电纺丝方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种实现碳材料氮掺杂的静电纺丝装置，其创新点在于：包括微型供液泵和供电装置，在微型供液泵的上方设有与微型供液泵连通的供液装置，所述供液装置的针尖与供电装置及直流高压正极相连，距离供液装置的针尖竖直方向10-20cm处放置与直流高压负极相连的接收装置，所述接收装置包括接收集气板，且接收集气板内部装有加热元件；所述接收集气板的上表面分布数个排气孔，所述接收集气板上固定有接收箔，且所述接收集气板还通过气阀与气体储存罐连通。
进一步地，所述接收集气板采用厚度为5-30mm，上表面分布数个排气孔且为空心的方形接收板；所述接收集气板上的排气孔的直径为2-20mm，且排气孔凸台高为2-5mm。
进一步地，所述接收箔为导电箔，且导电箔为铝箔、铜箔或复合材料的箔中的一种。
进一步地，所述气体储存罐中的气体采用氮源气体，且所述氮源气体为氮气、氨气或氮氢混合气体中的一种。
进一步地，所述氮氢混合气体中氮气与氢气的体积比为1:3-1:4.5。
一种实现碳材料氮掺杂的静电纺丝方法，其创新点在于：将电纺液吸入供液装置中，进行静电纺丝，供液装置的针尖与直流高压正极相连，距离针尖竖直方向10-20cm处放置与直流高压负极相连的接收装置，施加12-35kV电压，且供液装置推进速度为0.001-0.01mm/s；在高压电场下，电纺液滴克服表面张力，形成喷射细流，进而形成纤维膜；接收装置为可加热的集气板，外接一气体储存罐，通入氮源气体，气体在接收装置中加热至400-1900℃后，通过出气口排出至纤维中，实现纤维膜的掺氮。
进一步地，所述电纺液包括碳材料的溶剂及用于纺丝的聚合物，溶剂为二甲基甲酰胺、去离子水、氯仿、四氢呋喃、甲乙酮、樟脑磺酸中的一种或几种；用于纺丝的聚合物为聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚苯胺/聚氧乙烯混合物、聚苯胺/聚苯乙烯混合物中的一种。
进一步地，所述电纺液通过碳材料中加入对应溶剂，进行超声分散直至分散均匀，加入电纺聚合物，并在40-80℃下进行磁力搅拌，配制得到。
本发明的优点在于：通过本发明实现碳材料氮掺杂的静电纺丝装置，能实现碳材料的膜状可控制备，制备出的纤维膜具有优异的孔结构，同时也同步实现了对碳材料的掺氮，提高了碳材料中的含氮量，提升了碳材料的相关性能，尤其是作为电催化剂时，其结构与性能具有优异的构效关系。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实现碳材料氮掺杂的静电纺丝装置的结构示意图。
图2为图1中接收装置排气孔凸台的结构示意图。
图3为本发明的氮掺杂碳材料制备方法流程图。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
本实施例实现碳材料氮掺杂的静电纺丝装置，如图1所示，包括微型供液泵8和供电装置7，在微型供液泵8的上方设有与微型供液泵8连通的供液装置6，供液装置6的针尖5与供电装置7及直流高压正极相连，距离供液装置6的针尖5竖直方向10-20cm处放置与直流高压负极相连的接收装置，接收装置包括接收集气板10，且接收集气板10内部装有加热元件；接收集气板10的上表面分布数个排气孔，接收集气板10上固定有接收箔9，且接收集气板10还通过气阀3与气体储存罐2连通。
作为实施例，更具体地实施方式为接收集气板10采用厚度为5-30mm，上表面分布数个排气孔且为空心的方形接收板；接收集气板上的排气孔的直径为2-20mm，如图2所示，排气孔凸台1高为2-5mm。
接收箔为导电箔，且导电箔为铝箔、铜箔或复合材料的箔中的一种；气体储存罐2中的气体采用氮源气体，且所述氮源气体为氮气、氨气或氮氢混合气体中的一种，其中，氮氢混合气体中氮气与氢气的体积比为1:3-1:4.5。
通过本实施例实现碳材料氮掺杂的静电纺丝装置进行静电纺丝的方法，具体步骤如下：将电纺液吸入供液装置6中，进行静电纺丝，供液装置6的针尖5与直流高压正极相连，距离针尖5竖直方向10-20cm处放置与直流高压负极相连的接收装置，施加12-35kV电压，且供液装置6推进速度为0.001-0.01mm/s；在高压电场下，电纺液滴克服表面张力，形成喷射细流4，进而形成纤维膜；接收装置为可加热的集气板，外接一气体储存罐2，通入氮源气体，气体在接收装置中加热至400-1900℃后，通过出气口排出至纤维中，实现纤维膜的掺氮；其中，电纺液须包括碳材料的溶剂及用于纺丝的聚合物，溶剂为二甲基甲酰胺、去离子水、氯仿、四氢呋喃、甲乙酮、樟脑磺酸中的一种或几种；用于纺丝的聚合物为聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚苯胺/聚氧乙烯混合物、聚苯胺/聚苯乙烯混合物中的一种；电纺液通过碳材料中加入对应溶剂，进行超声分散直至分散均匀，加入电纺聚合物，并在40-80℃下进行磁力搅拌，配制得到。
实施例2
本实施例实现碳材料氮掺杂的静电纺丝装置进行静电纺丝的方法，如图3所示，包括如下步骤：
（1）在0.02g氧化石墨中加入9g二甲基甲酰胺，超声分散45min，得到灰黑色悬浊液。
（2）在悬浊液中加入0.7g聚丙烯腈，置于磁力搅拌器上继续搅拌2h并保证温度为60℃，直至全部溶解变为黑色溶胶，得到纺丝前驱体溶液。
（3）将铝箔附着在接收装置之上，并连接直流高压负极，使接收集气板加热至600℃，并持续通入氮气。
（4）将装有前驱体溶液的供液装置6放置在正极位置，保持与接收集气板10的距离为17cm，电压为18kV，供液装置6推进速度为0.002mm/s，经纺制得到膜状氮掺杂碳材料。
本实施例制得的氮掺杂碳材料成膜状，丝径达到纳米级别，在电催化方面具有较好的催化性能。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种实现碳材料氮掺杂的静电纺丝装置，其特征在于：包括微型供液泵和供电装置，在微型供液泵的上方设有与微型供液泵连通的供液装置，所述供液装置的针尖与供电装置及直流高压正极相连，距离供液装置的针尖竖直方向10-20cm处放置与直流高压负极相连的接收装置，所述接收装置包括接收集气板，且接收集气板内部装有加热元件；所述接收集气板的上表面分布数个排气孔，所述接收集气板上固定有接收箔，且所述接收集气板还通过气阀与气体储存罐连通。
2.根据权利要求1所述的实现碳材料氮掺杂的静电纺丝装置，其特征在于：所述接收集气板采用厚度为5-30mm，上表面分布数个排气孔且为空心的方形接收板；所述接收集气板上的排气孔的直径为2-20mm，且排气孔凸台高为2-5mm。
3.根据权利要求1或2所述的实现碳材料氮掺杂的静电纺丝装置，其特征在于：所述接收箔为导电箔，且导电箔为铝箔、铜箔或复合材料的箔中的一种。
4.根据权利要求1所述的实现碳材料氮掺杂的静电纺丝装置，其特征在于：所述气体储存罐中的气体采用氮源气体，且所述氮源气体为氮气、氨气或氮氢混合气体中的一种。
5.根据权利要求4所述的实现碳材料氮掺杂的静电纺丝装置，其特征在于：所述氮氢混合气体中氮气与氢气的体积比为1:3-1:4.5。
6.一种实现碳材料氮掺杂的静电纺丝方法，其特征在于：将电纺液吸入供液装置中，进行静电纺丝，供液装置的针尖与直流高压正极相连，距离针尖竖直方向10-20cm处放置与直流高压负极相连的接收装置，施加12-35kV电压，且供液装置推进速度为0.001-0.01mm/s；在高压电场下，电纺液滴克服表面张力，形成喷射细流，进而形成纤维膜；接收装置为可加热的集气板，外接一气体储存罐，通入氮源气体，气体在接收装置中加热至400-1900℃后，通过出气口排出至纤维中，实现纤维膜的掺氮。
7.根据权利要求6所述的实现碳材料氮掺杂的静电纺丝方法，其特征在于：所述电纺液包括碳材料的溶剂及用于纺丝的聚合物，溶剂为二甲基甲酰胺、去离子水、氯仿、四氢呋喃、甲乙酮、樟脑磺酸中的一种或几种；用于纺丝的聚合物为聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚苯胺/聚氧乙烯混合物、聚苯胺/聚苯乙烯混合物中的一种。
8.根据权利要求7所述的实现碳材料氮掺杂的静电纺丝方法，其特征在于：所述电纺液通过碳材料中加入对应溶剂，进行超声分散直至分散均匀，加入电纺聚合物，并在40-80℃下进行磁力搅拌，配制得到。
CN201811124809.XA 2018-09-26 2018-09-26 一种实现碳材料氮掺杂的静电纺丝装置及静电纺丝方法 Active CN109023558B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811124809.XA CN109023558B (zh) 2018-09-26 2018-09-26 一种实现碳材料氮掺杂的静电纺丝装置及静电纺丝方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811124809.XA CN109023558B (zh) 2018-09-26 2018-09-26 一种实现碳材料氮掺杂的静电纺丝装置及静电纺丝方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109023558A true CN109023558A (zh) 2018-12-18
CN109023558B CN109023558B (zh) 2021-01-12

Family

ID=64618099

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811124809.XA Active CN109023558B (zh) 2018-09-26 2018-09-26 一种实现碳材料氮掺杂的静电纺丝装置及静电纺丝方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109023558B (zh)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101884932A (zh) * 2010-06-11 2010-11-17 哈尔滨工业大学深圳研究生院 氮掺杂碳纳米纤维氧还原催化剂及其制备方法和应用
CN103594680A (zh) * 2013-11-18 2014-02-19 东华大学 一种电活性自支撑氮掺杂碳膜高容量电极的制备方法
CN105316797A (zh) * 2014-08-05 2016-02-10 无锡华臻新能源科技有限公司 具有氮掺杂介孔碳修饰的二氧化钛纳米纤维的制备
CN105845953A (zh) * 2016-04-06 2016-08-10 南通大学 N,C掺杂的TiO2纳米纤维负载Pd@Ni直接甲醇燃料电池阳极催化剂的制备方法
KR101694802B1 (ko) * 2015-10-30 2017-01-11 재단법인대구경북과학기술원 질소가 도핑된 멀티나노채널 다공성 탄소 나노구조체의 제조방법 및 슈퍼커패시터에의 적용
CN106378091A (zh) * 2016-09-12 2017-02-08 东华大学 二氧化碳吸附分离用氮掺杂的碳纳米纤维吸附材料的制备
WO2017022900A1 (ko) * 2015-08-06 2017-02-09 서울과학기술대학교 산학협력단 산소환원 전극용 촉매 및 그 제조 방법
CN106784894A (zh) * 2016-12-26 2017-05-31 南通大学 一种制备直接醇类燃料电池石墨烯基阳极电催化剂的方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101884932A (zh) * 2010-06-11 2010-11-17 哈尔滨工业大学深圳研究生院 氮掺杂碳纳米纤维氧还原催化剂及其制备方法和应用
CN103594680A (zh) * 2013-11-18 2014-02-19 东华大学 一种电活性自支撑氮掺杂碳膜高容量电极的制备方法
CN105316797A (zh) * 2014-08-05 2016-02-10 无锡华臻新能源科技有限公司 具有氮掺杂介孔碳修饰的二氧化钛纳米纤维的制备
WO2017022900A1 (ko) * 2015-08-06 2017-02-09 서울과학기술대학교 산학협력단 산소환원 전극용 촉매 및 그 제조 방법
KR101694802B1 (ko) * 2015-10-30 2017-01-11 재단법인대구경북과학기술원 질소가 도핑된 멀티나노채널 다공성 탄소 나노구조체의 제조방법 및 슈퍼커패시터에의 적용
CN105845953A (zh) * 2016-04-06 2016-08-10 南通大学 N,C掺杂的TiO2纳米纤维负载Pd@Ni直接甲醇燃料电池阳极催化剂的制备方法
CN106378091A (zh) * 2016-09-12 2017-02-08 东华大学 二氧化碳吸附分离用氮掺杂的碳纳米纤维吸附材料的制备
CN106784894A (zh) * 2016-12-26 2017-05-31 南通大学 一种制备直接醇类燃料电池石墨烯基阳极电催化剂的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
袁善美等: "碳纤维基PtPb催化剂直接乙醇燃料电池", 《现代化工》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN109023558B (zh) 2021-01-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108597901B (zh) 一种静电纺丝双喷法制备钴酸镍/碳纤维柔性电极材料的方法
CN112941669B (zh) 一种金属-氮共掺杂的碳纳米纤维材料及其制备方法和应用
CN105702937B (zh) 一种SnO2/C纤维的制备方法
CN108940285A (zh) 一种柔性电解水催化材料的制备方法及应用
CN106835363B (zh) 一种用于超级电容器的中空碳纤维材料的制备方法
CN103757823A (zh) 制备G/Sn/PAN基碳纳米纤维膜的方法
CN104810158B (zh) 一种敏化太阳能电池对电极材料及其制备方法
CN100464841C (zh) 一种基于纳米碳纤维的贵金属电催化剂及其制备方法
CN113054207B (zh) 金属盐辅助快速生长金属有机骨架衍生物的制备方法
CN106098413A (zh) 一种柔性超级电容器电极材料的制备方法
CN106887346B (zh) 一种钼酸锰多孔纳米管的静电纺丝制备方法及钼酸锰多孔纳米管
CN109468686A (zh) 静电纺丝装置、取向多孔Gr/PAN复合纳米纤维及其制备方法
CN106140162A (zh) 一种用于电催化析氢的铜纳米粒子/碳纳米纤维杂化材料的制备方法
CN109273278A (zh) 一种钴酸镍纳米线包覆碳纤维柔性电极材料的制备方法
CN109369185A (zh) 一种氮掺杂石墨烯复合碳材料的制备方法
CN110331469A (zh) CuO/Cu氮掺杂碳纳米纤维材料的制备方法及其应用
CN104525272A (zh) 一种直接醇类燃料电池专用阳极催化剂的制备方法
CN104389042A (zh) 钒氧碳超级电容器电极材料的静电纺丝制备方法
CN107742733A (zh) 一种煤基碳纤维负载钯催化剂的制备方法
CN108914253B (zh) 一种基于静电纺丝和高温碳化制备碳纳米纤维及其修饰电极的方法
CN107663717A (zh) 聚偏二氟乙烯纳米纤维膜及其制备方法
CN107217482B (zh) 一种具有界面共价键链接的氮磷共掺杂多孔炭膜@聚苯胺杂化电极材料及其制备方法
CN104072767B (zh) 一种比容量高、低漏电流的碳纳米纤维氮化型导电高分子复合材料的制备方法
CN111370708B (zh) 一种固体氧化物燃料电池电极及其制备方法
CN109023558A (zh) 一种实现碳材料氮掺杂的静电纺丝装置及静电纺丝方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant