CN110649247A - 一种红磷复合石墨烯包覆棉碳纤维材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种红磷复合石墨烯包覆棉碳纤维材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将无纺棉浸入氧化石墨（GO）溶液中进行超声处理；（2）冷冻后进行冷冻干燥处理，得到氧化石墨烯包覆无纺棉纤维；（3）放入炉中，通入保护气体，400℃～1100℃保温0.5～10 h，得到石墨烯包覆棉碳纤维材料；（4）在氩气气氛中将红磷和石墨烯包覆棉碳纤维封装在石英管中；（5）放入炉中，400℃～900℃保温1～20 h；（6）停止加热，待炉温降低至室温，取出样品，即得红磷复合石墨烯包覆棉碳纤维材料。

Description

一种红磷复合石墨烯包覆棉碳纤维材料的制备方法
技术领域
本发明涉及材料技术领域，尤其涉及的是一种红磷复合石墨烯包覆棉碳纤维材料的制备方法。
背景技术
随着移动电子设备和新能源汽车对高能量密度电池的需求越来越大，锂离子电池由于具有能量密度大、环境友好和无记忆效应等优势受到越来越多研究者的关注。锂离子电池的研究已经有几十年的历史，传统的锂离子电池负极材料石墨理论比容量只有372mAh/g，无法满足对高能量电子设备的需求，因此需要寻找一种具有高能量密度的电极材料替代石墨。在众多的负极材料中磷具有高达2596 mAh/g的理论比容量，与白磷和黑磷相比红磷具有更加稳定和合成工艺简单的优势。尽管红磷具有诸多优势，但红磷由于电导率低并且在电池充放电循环的过程中会造成巨大的体积变化，最终造成在电池循环的过程中性能衰减，因此红磷需要与其它电导率较高的材料复合才能更好的发挥其性能。
为解决红磷存在的以上问题，一种有效的方法是将红磷与碳进行复合，可有效的提高材料的稳定性和性能。碳化纤维作为碳材料，具有较高的电导率和力学性能，同时碳化纤维具有大量的孔隙，可以释放材料在使用过程中产生的应力，增强材料结构稳定性。在众多碳化纤维中，利用棉纤维经过碳化制备的棉碳纤维具有成本低的特点。近年来，石墨烯由于具有大比表面积、高稳定性、高电导率等诸多优势，在超级电容器和锂离子电池等能量存储材料中具有广泛的应用，通过石墨烯与棉碳纤维进行复合可进一步提高棉碳纤维的结构稳定性和电导性。因此利用红磷与石墨烯包覆棉碳纤维进行复合，可以制备出具有优异性能的红磷复合石墨烯包覆棉碳纤维材料，然而目前利用简单工艺制备红磷与石墨烯包覆棉碳纤维复合材料的制备方法还较少。
因此，研究一种操作简单，工艺要求不苛刻，可实现高质量、大规模制备红磷复合石墨烯包覆棉碳纤维的复合材料，具有广阔的商业应用和科学研究价值。
发明内容
本发明的技术目的是针对上述红磷复合石墨烯包覆棉碳纤维材料制备技术的现状，提供了一种工艺简单的一种红磷复合石墨烯包覆棉碳纤维材料的制备方法。
本发明技术方案如下：
一种红磷复合石墨烯包覆棉碳纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将无纺棉浸入氧化石墨（GO）溶液中进行超声处理；
（2）冷冻后进行冷冻干燥处理，得到氧化石墨烯包覆无纺棉纤维；
（3）放入炉中，通入保护气体，400℃～1100 ℃保温0.5～10 h，得到石墨烯包覆棉碳纤维材料；
（4）在氩气气氛中将红磷和石墨烯包覆棉碳纤维封装在石英管中；
（5）放入炉中，400℃～900 ℃保温1～20 h；
（6）停止加热，待炉温降低至室温，取出样品，即得红磷复合石墨烯包覆棉碳纤维材料。
所述的制备方法，所述无纺棉为天然棉花制成的无纺棉。
所述的制备方法，所述步骤（1）中GO浓度为0.5~15 mg/ml。
所述的制备方法，所述步骤（1）中GO为Hummers法制备的GO。
所述的制备方法，所述步骤（1）中GO溶液为前期经过超声处理1~2 h的GO溶液。
所述的制备方法，所述步骤（1）中超声处理时间为0.5~2 h。
所述的制备方法，所述步骤（2）中冷冻需要在低温冰箱或液氮中进行冷冻，温度低于-30 ℃。
所述的制备方法，所述步骤（3）中保护气体为氮气或氩气。
所述的制备方法，所述步骤（4）中红磷与石墨烯包覆棉碳纤维材料的质量比为0.1~3。
具体实施方式
实施例1：
本实施例中提供一种红磷复合石墨烯包覆棉碳纤维材料的制备方法，具体制备方法如下。
（1）将无纺棉浸入6 mg/ml的GO溶液中，超声1 h，其中无纺棉为天然棉花制备的无纺棉，GO为Hummers法制备的GO，GO溶液为前期经过超声处理1 h的GO溶液。
（2）放入低温冰箱冷冻24 h，放入冷冻干燥机冷冻干燥48 h，得到氧化石墨烯包覆无纺棉纤维，其中低温冰箱温度为-35 ℃。
（3）放入陶瓷坩埚中，放入通入氮气的保护气体的炉中，10 ℃/min升温至500 ℃，保温2 h，得到石墨烯包覆棉碳纤维材料。
（4）在氩气气氛中将红磷和石墨烯包覆棉碳纤维封装在石英管中，红磷与石墨烯包覆棉碳纤维材料的质量比为0.5。
（5）放入炉中，500 ℃保温12 h。
（6）停止加热，待炉温降低至室温，取出样品，即得红磷复合石墨烯包覆棉碳纤维材料。
XRD分析检测材料为红磷和碳特征峰。
实施例2：
本实施例中提供一种红磷复合石墨烯包覆棉碳纤维材料的制备方法，具体制备方法如下。
（1）将无纺棉浸入7 mg/ml的GO溶液中，超声0.5 h，其中无纺棉为天然棉花制备的无纺棉，GO为Hummers法制备的GO，GO溶液为前期经过超声处理2 h的GO溶液。
（2）放入低温冰箱冷冻24 h，放入冷冻干燥机冷冻干燥48 h，得到氧化石墨烯包覆无纺棉纤维，其中低温冰箱温度为-40 ℃。
（3）放入陶瓷坩埚中，放入通入氮气的保护气体的炉中，10 ℃/min升温至600 ℃，保温1 h，得到石墨烯包覆棉碳纤维材料。
（4）在氩气气氛中将红磷和石墨烯包覆棉碳纤维封装在石英管中，红磷与石墨烯包覆棉碳纤维材料的质量比为1。
（5）放入炉中，600 ℃保温10 h。
（6）停止加热，待炉温降低至室温，取出样品，即得红磷复合石墨烯包覆棉碳纤维材料。
XRD分析检测材料为红磷和碳特征峰。
实施例3：
本实施例中提供一种红磷复合石墨烯包覆棉碳纤维材料的制备方法，具体制备方法如下。
（1）将无纺棉浸入7 mg/ml的GO溶液中，超声0.5 h，其中无纺棉为天然棉花制备的无纺棉，GO为Hummers法制备的GO，GO溶液为前期经过超声处理1 h的GO溶液。
（2）放入低温冰箱冷冻24 h，放入冷冻干燥机冷冻干燥48 h，得到氧化石墨烯包覆无纺棉纤维，其中低温冰箱温度为-40 ℃。
（3）放入陶瓷坩埚中，放入通入氩气的保护气体的炉中，10 ℃/min升温至900 ℃，保温1 h，得到石墨烯包覆棉碳纤维材料。
（4）在氩气气氛中将红磷和石墨烯包覆棉碳纤维封装在石英管中，红磷与石墨烯包覆棉碳纤维材料的质量比为1。
（5）放入炉中，600 ℃保温10 h。
（6）停止加热，待炉温降低至室温，取出样品，即得红磷复合石墨烯包覆棉碳纤维材料。
XRD分析检测材料为红磷和碳特征峰。
实施例4：
本实施例中提供一种红磷复合石墨烯包覆棉碳纤维材料的制备方法，具体制备方法如下。
（1）将无纺棉浸入5 mg/ml的GO溶液中，超声1 h，其中无纺棉为天然棉花制备的无纺棉，GO为Hummers法制备的GO，GO溶液为前期经过超声处理2 h的GO溶液。
（2）放入低温冰箱冷冻24 h，放入冷冻干燥机冷冻干燥48 h，得到氧化石墨烯包覆无纺棉纤维，其中低温冰箱温度为-40 ℃。
（3）放入陶瓷坩埚中，放入通入氮气的保护气体的炉中，10 ℃/min升温至600 ℃，保温1 h，得到石墨烯包覆棉碳纤维材料。
（4）在氩气气氛中将红磷和石墨烯包覆棉碳纤维封装在石英管中，红磷与石墨烯包覆棉碳纤维材料的质量比为0.5。
（5）放入炉中，650 ℃保温10 h。
（6）停止加热，待炉温降低至室温，取出样品，即得红磷复合石墨烯包覆棉碳纤维材料。
XRD分析检测材料为红磷和碳特征峰。
实施例5：
本实施例中提供一种红磷复合石墨烯包覆棉碳纤维材料的制备方法，具体制备方法如下。
（1）将无纺棉浸入3 mg/ml的GO溶液中，超声1 h，其中无纺棉为天然棉花制备的无纺棉，GO为Hummers法制备的GO，GO溶液为前期经过超声处理1 h的GO溶液。
（2）放入低温冰箱冷冻24 h，放入冷冻干燥机冷冻干燥48 h，得到氧化石墨烯包覆无纺棉纤维，其中低温冰箱温度为-45 ℃。
（3）放入陶瓷坩埚中，放入通入氩气的保护气体的炉中，10 ℃/min升温至900 ℃，保温1 h，得到石墨烯包覆棉碳纤维材料。
（4）在氩气气氛中将红磷和石墨烯包覆棉碳纤维封装在石英管中，红磷与石墨烯包覆棉碳纤维材料的质量比为0.9。
（5）放入炉中，600 ℃保温10 h。
（6）停止加热，待炉温降低至室温，取出样品，即得红磷复合石墨烯包覆棉碳纤维材料。
XRD分析检测材料为红磷和碳特征峰。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种红磷复合石墨烯包覆棉碳纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将无纺棉浸入氧化石墨（GO）溶液中进行超声处理；
（2）冷冻后进行冷冻干燥处理，得到氧化石墨烯包覆无纺棉纤维；
（3）放入炉中，通入保护气体，400℃～1100 ℃保温0.5～10 h，得到石墨烯包覆棉碳纤维材料；
（4）在氩气气氛中将红磷和石墨烯包覆棉碳纤维封装在石英管中；
（5）放入炉中，400℃～900 ℃保温1～20 h；
（6）停止加热，待炉温降低至室温，取出样品，即得红磷复合石墨烯包覆棉碳纤维材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述无纺棉为天然棉花制成的无纺棉。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中GO浓度为0.5~15 mg/ml。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中GO为Hummers法制备的GO。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中GO溶液为前期经过超声处理1~2 h的GO溶液。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中超声处理时间为0.5~2h。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中冷冻需要在低温冰箱或液氮中进行冷冻，温度低于-30 ℃。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中保护气体为氮气或氩气。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中红磷与石墨烯包覆棉碳纤维材料的质量比为0.1~3。
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