CN109161990B - 一种双螺旋状碳纤维及其制备方法 - Google Patents
一种双螺旋状碳纤维及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109161990B CN109161990B CN201811051121.3A CN201811051121A CN109161990B CN 109161990 B CN109161990 B CN 109161990B CN 201811051121 A CN201811051121 A CN 201811051121A CN 109161990 B CN109161990 B CN 109161990B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- carbon fiber
- double
- helix
- carbon
- urea
- 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.)
- Active
Links
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 title claims abstract description 59
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 title claims abstract description 59
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 58
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 36
- QMKYBPDZANOJGF-UHFFFAOYSA-N benzene-1,3,5-tricarboxylic acid Chemical compound OC(=O)C1=CC(C(O)=O)=CC(C(O)=O)=C1 QMKYBPDZANOJGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 28
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- 239000004202 carbamide Substances 0.000 claims abstract description 24
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N urea group Chemical group NC(=O)N XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 24
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 23
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 21
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims abstract description 21
- 238000010000 carbonizing Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000003513 alkali Substances 0.000 claims abstract description 10
- 150000007524 organic acids Chemical class 0.000 claims abstract description 9
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 24
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 claims description 14
- CYIDZMCFTVVTJO-UHFFFAOYSA-N pyromellitic acid Chemical compound OC(=O)C1=CC(C(O)=O)=C(C(O)=O)C=C1C(O)=O CYIDZMCFTVVTJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 10
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims description 9
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 8
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 8
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 7
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 6
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 5
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims description 4
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 abstract description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 abstract description 2
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 21
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 12
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 7
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 6
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 5
- 238000005087 graphitization Methods 0.000 description 5
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 4
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 4
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 4
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 4
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 3
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KKEYFWRCBNTPAC-UHFFFAOYSA-N Terephthalic acid Chemical compound OC(=O)C1=CC=C(C(O)=O)C=C1 KKEYFWRCBNTPAC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005273 aeration Methods 0.000 description 2
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 description 2
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 2
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 238000000157 electrochemical-induced impedance spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- VLDPXPPHXDGHEW-UHFFFAOYSA-N 1-chloro-2-dichlorophosphoryloxybenzene Chemical compound ClC1=CC=CC=C1OP(Cl)(Cl)=O VLDPXPPHXDGHEW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002483 Cu Ka Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000002134 carbon nanofiber Substances 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000003889 chemical engineering Methods 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000010277 constant-current charging Methods 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 238000010041 electrostatic spinning Methods 0.000 description 1
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- -1 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000010532 solid phase synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004753 textile Substances 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
- D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
- D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
- D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
- D01F9/12—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/32—Carbon-based
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/84—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
- H01G11/86—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof specially adapted for electrodes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Textile Engineering (AREA)
- Inorganic Fibers (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
本发明提供了一种双螺旋状碳纤维及其制备方法，其中方法包括利用有机酸和碱源制备前驱体碳源、碳化的步骤，其中有机酸和碱源的投料摩尔比为0.1:1‑1:1，所述有机酸为均三苯甲酸，所述碱源为尿素。本发明还提供了一种由上述方法制得的双螺旋状碳纤维，其直径为50‑65nm，长度大于10μm。本发明提供的双螺旋状碳纤维的制备方法，使得反应速率和碳纤维形貌结构得到很好控制，并且制备工艺简单，原料易得，成本低，适于工业化生产，制得的双螺旋状碳纤维，双螺旋结构分布均匀，碳链更长，石墨化程度高，储电性能好，循环寿命长，在柔性储能设备、可穿戴电子器件和生物医药领域有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纤维材料及其制备方法，具体涉及一种双螺旋状碳纤维及其制备方法。
背景技术
碳纤维，是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。碳纤维质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维，同时由于其优异的电学、力学以及吸附性能，在电子、化工、航空航天、新能源等领域具有广泛的应用前景。研究表明，碳纤维材料的性能与其结构有关，不同微观结构的碳纤维材料的电学性能之间存在一定差异。
目前，碳纤维的制备方法主要有喷淋法、基体法、电弧法、静电纺丝法、气相流动催化法、等离子体化学气相沉积法等，制备工艺非常复杂且制得的碳纤维结构难以控制。固相合成法是近年来制备碳纳米纤维的新方法，因其具有高选择性、高产率、工艺简单等优点，引起了科研工作者的关注。现有的制备工艺制得的碳纤维结构分散均匀度不易控制，石墨化程度低，难以实现工业化生产。
发明人在前递交的公布号为CN106865538A的中国发明专利申请公开了一种碳纳米线材料及其制备方法，该方法用氨水和对苯二甲酸在常温下反应制备前驱体碳源，并经过碳化处理获得一种碳纳米线，但该发明提供的方法存在以下问题：氨水因用量大导致的反应速率过快，碳纤维微观结构形貌不可控，结构不均匀，制备的碳链较短，并且未测试其电学性能等。
发明内容
为了解决上述问题，一方面，本发明提供了一种双螺旋状碳纤维的制备方法，包括利用有机酸和碱源制备前驱体碳源、碳化的步骤，其中，有机酸和碱源的投料摩尔比为0.1:1-1:1，有机酸为均三苯甲酸，碱源为尿素。
进一步地，均三苯甲酸和尿素的投料摩尔比为0.5:1-1:1。其中，均三苯甲酸和尿素的投料摩尔比优选0.2:1、0.4:1、0.5:1、0.6:1、0.7:1、0.8:1、0.9:1、1:1。
进一步地，双螺旋状碳纤维的制备方法具体步骤包括：
将均三苯甲酸和尿素用溶剂溶解后，加热，洗涤并干燥，得前驱体碳源；再将前驱体碳源升温至碳化温度，恒温惰性气氛下进行碳化，冷却得双螺旋状碳纤维。
进一步地，加热温度为60-140℃，优选地，加热温度为80-120℃，更优选地，加热温度为100℃。其中，加热时间为5-7h，优选6h，加热结束后自然冷却；在一种实施方式中，洗涤前需先离心；干燥温度优选60℃。
进一步地，均三苯甲酸和尿素分别溶解后再混合，混合溶液置于反应釜中加热，其中，溶解所用溶剂优选为乙醇或N,N-二甲基甲酰胺，更优选地，将均三苯甲酸溶于N,N-二甲基甲酰胺，尿素溶于乙醇，超声充分溶解后混合，在其他的实施方式中，也可搅拌或加热溶解后混合。
进一步地，升温的速率为1-20℃/min，优选4-15℃/min，特别优选5℃/min；碳化温度为500-1000℃，优选700-900℃，特别优选900℃。其中，碳化时间为3-5h，优选4h，碳化结束后自然冷却。
进一步地，前驱体碳源置于石英舟中升温至碳化温度。
进一步地，惰性气氛选自氮气、氩气、二氧化碳气体中的一种或多种的混合，其中，惰性气氛下进行碳化的通气流量为3-300mL/min。
另一方面，本发明提供了一种双螺旋状碳纤维，使用上述任一方法制备得到。
进一步地，双螺旋状碳纤维的直径为50-65nm，长度大于10μm，石墨化程度为0.6-1。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明提供的双螺旋状碳纤维的制备方法，用尿素作为碱源，通过调节均三苯甲酸和尿素的比例，使得反应速率和碳纤维微观结构形貌得到很好控制，制备工艺简单，原料易得，成本低，适于工业化生产。
2、本发明制备的双螺旋状碳纤维，双螺旋结构分布均匀，碳链更长，石墨化程度高，比表面积大；在电化学性能方面，该双螺旋状碳纤维的储电能力强，循环寿命好，是性能优异的电容器电极材料。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是实施例1在分辨率为50nm下的透射电镜图；
图2是实施例1在分辨率为20nm下的透射电镜图；
图3是实施例2在分辨率为100nm下的透射电镜图；
图4是实施例2在分辨率为20nm下的透射电镜图；
图5是对比例1在分辨率为100nm下的透射电镜图Ⅰ；
图6是对比例1在分辨率为100nm下的透射电镜图Ⅱ；
图7是对比例2在分辨率为200nm下的透射电镜图Ⅰ；
图8是对比例2在分辨率为200nm下的透射电镜图Ⅱ；
图9是实施例1的X-射线衍射图；
图10是实施例1的拉曼光谱图；
图11是实施例1的电化学充放电曲线图；
图12是实施例1的循环寿命曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
如不另行说明，本说明书实施例的实验试剂均通过商业途径购得。其中，均三苯甲酸和尿素均为分析纯。微观结构的分析表征，采用型号为JEM-2100的透射电子显微镜和型号为Hitachi S-4800的扫描电子显微镜。晶相结构的分析表征，采用AXS D8-Advanced粉末衍射仪(参数为以Cu Kα射线为射线源，
)。电化学性能的测试采用循环伏安法，其中恒流充放电与电化学阻抗谱(EIS)在上海辰华(CHI660D)电化学工作站中获得。
本说明书实施例中，双螺旋状碳纤维的制备方法包括：
前驱体碳源的制备：将均三苯甲酸和尿素用溶剂溶解后，置于反应釜中，将反应釜转移至烘箱中加热，反应结束后，冷却，离心、洗涤并干燥，得前驱体碳源；
碳化：将前驱体碳源置于石英舟中，逐渐升温至碳化温度，恒温惰性气氛下进行碳化，冷却至室温，收集固相，得双螺旋状碳纤维。
其中，均三苯甲酸和尿素的投料摩尔比为0.1:1-1:1，优选0.5:1-1:1，特别优选0.2:1、0.4:1、0.5:1、0.6:1、0.7:1、0.8:1、0.9:1、1:1。
在上述方法中，加热温度为60-140℃，优选80-120℃，更优选100℃。其中，加热时间为5-7h，优选6h，加热结束后自然冷却；在一种实施方式中，洗涤前需先离心；干燥温度优选60℃。均三苯甲酸和尿素分别溶解后再混合，混合溶液置于反应釜中加热，其中，溶解所用溶剂优选为乙醇或N,N-二甲基甲酰胺，更优选地，将均三苯甲酸溶于N,N-二甲基甲酰胺，尿素溶于乙醇，超声充分溶解后混合，在其他的实施方式中，也可搅拌或加热溶解后混合。升温的速率为1-20℃/min，优选4-15℃/min，特别优选5℃/min；碳化温度为500-1000℃，优选700-900℃，特别优选900℃。其中，碳化时间为3-5h，优选4h，碳化结束后自然冷却。前驱体碳源置于石英舟中升温至碳化温度。惰性气氛选自氮气、氩气、二氧化碳气体中的一种或多种的混合，其中，惰性气氛下进行碳化的通气流量为3-300mL/min。
实施例1
将0.1mmol均三苯甲酸和0.1mmol尿素分别溶解于20ml N,N-二甲基甲酰胺和20ml无水乙醇中，超声充分溶解后，混合均匀并转移至反应釜中，将反应釜转移至加热到100℃的烘箱中反应6h后停止反应，自然冷却至室温，离心，洗涤，60℃下干燥，得前驱体碳源。再将前驱体碳源放入石英舟，以5℃/min的升温速率升至900℃，并恒温氮气气氛中碳化处理4h，后停止反应，自然冷却至室温，收集固相，得双螺旋状碳纤维。
图1为所得双螺旋状碳纤维在分辨率为50nm下的透射电镜图。其中测得碳链直径约60nm，长度大于10μm，单链直径约20nm，由图中可以看出，碳纤维的双螺旋结构分布非常均匀，双螺旋化程度高。
图2为所得双螺旋状碳纤维在分辨率为20nm下的透射电镜图。由图中可以看出，石墨化碳的片层结构非常清晰。
用X-射线衍射对所得双螺旋状碳纤维进行结构表征，结果如图9所示。经过与标准XRD图谱对比得出，所得产物是纯净的碳材料。
用拉曼光谱对所得双螺旋状碳纤维进行石墨化程度表征，结果如图10所示。结果测得ID/IG＝1.06，石墨化程度高。
所得双螺旋状碳纤维的电化学充放电曲线如图11所示。由图可知，双螺旋状碳纤维作为电容器电极材料具有很好的储电能力，在电流密度为1A/g时，比电容可达266F/g。
所得双螺旋状碳纤维的循环寿命曲线如图12所示。由图可知，双螺旋状碳纤维作为电容器电极材料具有较好的循环寿命，在电流密度为10A/g条件下循环3000次后，比电容保有率仍有91.3％。
实施例2
将0.1mmol均三苯甲酸和0.2mmol尿素分别溶解于20ml N,N-二甲基甲酰胺和20ml无水乙醇中，超声充分溶解后，混合均匀并转移至反应釜中，将反应釜转移至加热到80℃的烘箱中反应6h后停止反应，自然冷却至室温，离心，洗涤，60℃下干燥，得前驱体碳源。再将前驱体碳源放入石英舟，以10℃/min的升温速率升至800℃，并恒温氩气气氛中碳化处理4h，后停止反应，自然冷却至室温，收集固相，得双螺旋状碳纤维。
图3为所得双螺旋状碳纤维在分辨率为100nm下的透射电镜图。其中测得碳链直径约62nm，长度大于10μm，单链直径约20nm。由图中可以看出，碳纤维的双螺旋结构分布非常均匀，双螺旋化程度高。
图4为所得双螺旋状碳纤维在分辨率为20nm下的透射电镜图。由该图可以看出，石墨化碳的片层结构清晰。
实施例3
制备方法步骤同实施例1，区别参数在于，均三苯甲酸与尿素的投料摩尔比为0.8:1，获得双螺旋状碳纤维。
用分辨率为100nm的高倍透射电子显微镜观测所得双螺旋状碳纤维，测得碳链直径约58nm，长度大于10μm，单链直径约19nm，双螺旋结构分布均匀，双螺旋化程度高，石墨化碳的片层结构清晰。
实施例4
将0.02mmol均三苯甲酸和0.1mmol尿素分别溶解于20ml N,N-二甲基甲酰胺和20ml无水乙醇中，超声充分溶解后，混合均匀并转移至反应釜中，将反应釜转移至加热到120℃的烘箱中反应6h，后停止反应，自然冷却至室温，离心，洗涤，60℃下干燥，得前驱体碳源。再将前驱体碳源放入石英舟，以15℃/min的升温速率升至700℃，并恒温二氧化碳气氛中碳化处理4h，后停止反应，自然冷却至室温，收集固相，得双螺旋状碳纤维。
用分辨率为100nm的高倍透射电子显微镜观测所得双螺旋状碳纤维，测得碳链直径约52nm，长度大于10μm，单链直径约18nm，双螺旋结构分布均匀，双螺旋化程度高，石墨化碳的片层结构清晰。
对比例1
制备方法步骤同实施例1，区别参数在于，均三苯甲酸与尿素的投料摩尔比为2:1，获得碳纤维产物。
用分辨率为100nm的高倍透射电子显微镜观测所得产物，如图5和图6所示，从图中可以看出，所得碳纤维并不呈现双螺旋结构。
对比例2
制备方法步骤同实施例2，区别参数在于，均三苯甲酸与尿素的投料摩尔比为4:1，获得碳纤维产物。
用分辨率为200nm的高倍透射电子显微镜观测所得产物，如图7和与8所示，从图中可以看出，所得碳纤维并不呈现双螺旋结构。
实验数据显示，与对比例相比，实施例1-4均可制备本发明所述的双螺旋状碳纤维，其中实施例1为最优选方案，但本发明并不限制于此，所以，对于其他实施例制备所得的产物结构的透射电镜图、结构表征图以及电化学性能图，在说明书附图中不再赘述。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种双螺旋状碳纤维的制备方法，其特征在于，包括利用有机酸和碱源制备前驱体碳源、碳化的步骤，所述有机酸和碱源的投料摩尔比为0.1:1-1:1，所述有机酸为均三苯甲酸，所述碱源为尿素；将均三苯甲酸和尿素用溶剂溶解，加热，洗涤并干燥，得前驱体碳源；再将前驱体碳源升温至碳化温度，恒温惰性气氛下进行碳化，冷却得双螺旋状碳纤维；
所述加热温度为60-140℃，所述前驱体碳源升温的速率为1-20℃/min，所述碳化温度为500-1000℃。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述均三苯甲酸和尿素的投料摩尔比为0.5:1-1:1。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述均三苯甲酸和尿素分别溶解后再混合，混合溶液置于反应釜中加热。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述前驱体碳源置于石英舟中升温至碳化温度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述惰性气氛选自氮气、氩气、二氧化碳气体中的一种或多种的混合。
6.一种双螺旋状碳纤维，其特征在于，使用权利要求1-5任一方法制备得到。
7.根据权利要求6所述的双螺旋状碳纤维，其特征在于，所述双螺旋状碳纤维的碳链直径为50-65nm，长度大于10μm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811051121.3A CN109161990B (zh) | 2018-09-10 | 2018-09-10 | 一种双螺旋状碳纤维及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811051121.3A CN109161990B (zh) | 2018-09-10 | 2018-09-10 | 一种双螺旋状碳纤维及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109161990A CN109161990A (zh) | 2019-01-08 |
| CN109161990B true CN109161990B (zh) | 2020-12-15 |
Family
ID=64894631
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811051121.3A Active CN109161990B (zh) | 2018-09-10 | 2018-09-10 | 一种双螺旋状碳纤维及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109161990B (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04209841A (ja) * | 1990-12-07 | 1992-07-31 | Koa Oil Co Ltd | スパイラル炭素繊維の製法 |
| WO1999011846A1 (fr) * | 1997-09-01 | 1999-03-11 | Electron Property Research Institute Co., Ltd. | Fibres de carbone helicoidales, et leur procede et appareil de fabrication |
| CN103741113A (zh) * | 2013-12-05 | 2014-04-23 | 青岛科技大学 | 一种纳米碳纤维薄膜的制备方法 |
| CN105070914A (zh) * | 2015-07-27 | 2015-11-18 | 四川理工学院 | Dna双螺旋状纳米碳纤维的制备方法、应用及锂离子电池负极材料的制备方法 |
| CN108624992A (zh) * | 2018-06-08 | 2018-10-09 | 四川理工学院 | 一种螺旋纳米碳纤维及其制备方法 |
| CN108998861A (zh) * | 2018-06-08 | 2018-12-14 | 四川理工学院 | 一种螺旋状纳米碳纤维及其制备方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4404961B2 (ja) * | 2002-01-08 | 2010-01-27 | 双葉電子工業株式会社 | カーボンナノ繊維の製造方法。 |
-
2018
- 2018-09-10 CN CN201811051121.3A patent/CN109161990B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04209841A (ja) * | 1990-12-07 | 1992-07-31 | Koa Oil Co Ltd | スパイラル炭素繊維の製法 |
| WO1999011846A1 (fr) * | 1997-09-01 | 1999-03-11 | Electron Property Research Institute Co., Ltd. | Fibres de carbone helicoidales, et leur procede et appareil de fabrication |
| CN103741113A (zh) * | 2013-12-05 | 2014-04-23 | 青岛科技大学 | 一种纳米碳纤维薄膜的制备方法 |
| CN105070914A (zh) * | 2015-07-27 | 2015-11-18 | 四川理工学院 | Dna双螺旋状纳米碳纤维的制备方法、应用及锂离子电池负极材料的制备方法 |
| CN108624992A (zh) * | 2018-06-08 | 2018-10-09 | 四川理工学院 | 一种螺旋纳米碳纤维及其制备方法 |
| CN108998861A (zh) * | 2018-06-08 | 2018-12-14 | 四川理工学院 | 一种螺旋状纳米碳纤维及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 国内外碳纤维技术专利竞争情报分析;李军;《情报杂志》;20110930;第30卷(第9期);第14-19页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109161990A (zh) | 2019-01-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110801843B (zh) | 二段法制备高倍率超细管径的碳纳米管及其催化剂和制备方法 | |
| Yoo et al. | Scalable fabrication of silicon nanotubes and their application to energy storage | |
| CN109956463B (zh) | 一种碳纳米管及其制备方法 | |
| EP3266743B1 (en) | Method for preparing biomass graphene by using cellulose as raw material | |
| CN113247887B (zh) | 多级孔石墨烯的制备方法、多级孔石墨烯的应用 | |
| CN107265433A (zh) | 三维多孔掺氮碳材料及其制备方法和应用 | |
| CN104577049B (zh) | 一种锂电池用多级孔结构硅基负极材料及其制备方法 | |
| CN112158827B (zh) | 一种形貌可控的碳纳米管的制备方法 | |
| CN110586115B (zh) | 一种大倍率碳纳米管催化剂、碳纳米管及其制备方法 | |
| CN106276847A (zh) | 一种碳纳米管的制备方法 | |
| CN110148760A (zh) | 一种多孔碳-碳纳米管复合材料及其制备方法和应用 | |
| CN108455592A (zh) | 一种互穿网络结构的氮掺杂多孔炭/碳纳米管复合物的制备方法 | |
| Sun et al. | Morphology and crystallinity-controlled synthesis of MnO 2 hierarchical nanostructures and their application in lithium ion batteries | |
| CN102683661A (zh) | 一种锂离子电池硬炭负极材料的制备方法 | |
| Zhang et al. | Carbon nanoflakes for energy storage: scalable and low-cost synthesis, excellent performances toward comprehensive application | |
| CN102637920B (zh) | 废触体作为锂离子电池负极材料的应用 | |
| CN109161990B (zh) | 一种双螺旋状碳纤维及其制备方法 | |
| CN105060272B (zh) | 一种以卤虫卵壳作为碳源低温下制备碳纳米管的方法 | |
| CN109371504B (zh) | 一种竹节状碳纤维及其制备方法 | |
| Yuan et al. | In situ growth of CoO nanosheets on a carbon fiber derived from corn cellulose as an advanced hybrid anode for lithium-ion batteries | |
| CN116514118A (zh) | 一种催化石油煅后焦石墨化方法及应用 | |
| CN111653774A (zh) | 一种制备生物质碳锂离子电池负极材料的方法 | |
| CN114477144A (zh) | 一种碳纳米管阵列的制备方法 | |
| CN110127660B (zh) | 微波制备多孔碳纳米材料的方法 | |
| MI et al. | A simple solvothermal route to synthesize carbon microspheres |
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 |