CN111519281B - 一种利用皮革制备氮杂碳纤维电极材料的方法及电极 - Google Patents

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Abstract

本发明属于能源存储材料及器件技术领域，具体涉及一种利用皮革制备氮杂碳纤维电极材料的方法，包括以下步骤，S1将废弃皮革置于固相力化学反应器中，制得微纳米皮革纤维；S2将步骤S1制得的微纳米皮革纤维在惰性气氛中热解，得到氮杂碳纤维电极材料。利用废弃皮革作为原料制备氮杂碳纳米材料，既可持续地解决了制备碳纳米材料的原料问题，又能高效地利用生物材料。因此，用这种生物废料开发出具有高价值的新型功能材料具有重要意义。

Description

一种利用皮革制备氮杂碳纤维电极材料的方法及电极
技术领域
本发明属于能源存储材料及器件技术领域，具体涉及一种利用皮革制备氮杂碳纤维电极材料的方法及电极。
背景技术
随着科技的不断进步，对于电池一类供能器件的各项性能的需求也在不断增加。而锂电池因其具有较高的安全性、高能量密度、工作电压高、使用寿命长且绿色环保等特点，目前作为供能器件广泛应用于各个电子产品领域。然而，石墨作为常用的商用电极材料已经接近容量极限，难以继续对其开发，想要提升锂电池的性能就要着手于新电极材料的研究。因此，各种碳纳米材料包括碳纳米管、碳纤维和石墨烯，由于动力学上有利于离子/电子传输的结构而被常用作电极材料来研究。其中，碳纤维因具有优良的导电性能且比表面积大，电化学性能稳定等性能而引起广泛关注。
碳纤维因其较小的密度、较大的比表面积、形貌可控和稳定的物理、电化学特性等优点，被认为是21世纪最尖端、最成熟的材料之一，其广阔的应用前景和潜在的商业价值引起人们极大的关注。由于碳纤维具有较大的比表面积、良好的电导率和耐酸碱腐蚀性，其作为锂电池电极材料或超级电容器电极材料展示出很大的应用潜力。而生物质可被用来合成具有高价值的碳纳米材料。因其数量充足，并且是一种对环境友好的可再生资源，故生物质是一种很好的潜在碳原料。
在皮革行业中加工的过程会产生大量的废弃皮革，每处理一吨皮/兽皮则产生600公斤的废弃皮革，对于这部分含铬的生物废料，采用填埋或焚烧等处理方式是低效且会对环境造成污染的。
发明内容
本发明的目的在于：解决上述现有技术中的不足，提供一种利用皮革制备氮杂碳纤维电极材料的方法，该方法通过固相力化学反应器，将皮革纤维剥离成微纳米皮革纤维，经固相力化学反应器处理后的皮革纤维，具有较大的比表面积；再经过高温热解，皮革纤维中的部分有机物和无机物分解，实现碳化过程，得到氮杂碳纤维。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种利用皮革制备氮杂碳纤维电极材料的方法，包括以下步骤，
S1将废弃皮革置于固相力化学反应器中，制得微纳米皮革纤维；
S2将步骤S1制得的微纳米皮革纤维在惰性气氛中热解，得到氮杂碳纤维电极材料。
进一步的，在所述步骤S1中，所述固相力化学反应器中在1-10MPa的压力、100rpm-2000rpm的转速下，制得所述微纳米皮革纤维。较优选的，所述固相力化学反应器中在2-5MPa的压力、900rpm-1500rpm的转速，制得所述微纳米皮革纤维。在该条件下，得到的皮革纤维的粒径更小，具有较高的比表面积，便于在热解过程中，皮革纤维中的有机物和无机物进行碳化，使碳化后的碳纤维的形态更佳，提高氮杂碳纤维的电学性能。
进一步的，所述微纳米皮革纤维的粒径为500nm～10μm。较优选的，所述氮杂碳纤维的粒径为150nm～5μm。
进一步的，所述热解反应的条件为，在温度为500-1500℃下反应1-12h。较优选的，在温度为700-1000℃下反应2-6h。需说明的是，在本发明中，温度在500-2500℃指的热解反应的最高温度，并在这个最高温度下保持1-12h。
进一步的，所述热解反应过程中，升温速率为1℃/min-10℃/min。较优选的，所述热解反应过程中，升温速率为2℃/min-5℃/min。按照一定的升温速率，逐渐的将温度升至最高温度，在升温的过程中，皮革纤维中的有机物和无机物也相应的发生反应，当升温速率超过10℃/min时，由于升温速率过快，导致热解不充分，得到的碳纤维中的杂质较多，影响纤维的电学性能，并且，当温度升高过快时，得到的碳纤维形态欠佳，对电学性能也会产生不良影响。
进一步的，所述惰性气体为氮气、氩气或氦气。
一种用于二次储能系统的电极，由上述的方法制得的氮杂碳纤维制备而成。具体的，二次储能系统可以是超级电池、锂离子电池、钠离子电池等。
本发明的有益效果是：
在本发明中，采用固相力化学反应器来处理废弃皮革，在固相力化学反应器给予的剪切作用下，将废弃皮革剥离成微纳米级的纤维，大大增加了皮革纤维的比表面积，简便了后续加工的过程。后续在高温下进行热解反应，使得皮革纤维碳化，形成氮杂碳纤维。
利用废弃皮革作为原料制备氮杂碳纳米材料，既可持续地解决了制备碳纳米材料的原料问题，又能高效地利用生物材料。因此，用这种生物废料开发出具有高价值的新型功能材料具有重要意义。
本发明制备氮杂碳纤维的方法简单，可大规模的对废旧皮革中的纤维进行剥离，实现批量化出来废旧皮革纤维。并且，通过本发明的方法制备的碳纤维中自带氮元素，无需再单独的碳纤维进行掺氮，且得到的氮杂碳纤维较单独掺氮的氮杂碳纤维性能更加优异。
附图说明
图1是皮革纤维的电镜图；
图2是实施例1方法制备的氮杂碳纤维形貌结构图；
图3是实施例2方法制备的氮杂碳纤维形貌结构图；
图4是实施例2方法制备的氮杂碳纤维作为超级电容器电极材料的循环性能图。
具体实施方式
实施例1：
步骤一、取废弃蓝湿革作为废弃皮革样品，利用固相力化学反应器在3MPa的压力，1000rpm的转速和室温的条件下将皮革纤维剥离开来；得到微纳米的皮革纤维，其平均直径为1.2μm
步骤二，将得到的微纳米皮革纤维置于管式炉内，在氩气氛围下，以5℃/min的升温速率，升温至最高温度500℃，并在最高温度下保温2h，之后随炉冷却至室温，得到氮杂碳纤维，其平均粒径为900nm。
将得到的氮杂碳纤维制备成电极，并测试该电极在1A/g的电流下比电容为67F/g。
本实施例制得的氮杂碳纤维形貌结构图如图2所示，由图1和图2对比可见热解后纤维更细，比表面积更大。
实施例2：
步骤一、取废弃蓝湿革作为废弃皮革样品，利用固相力化学反应器在3MPa的压力，1000rpm的转速和室温的条件下将皮革纤维剥离开来；得到微纳米的皮革纤维，其平均粒径为1.2μm。
步骤二，将得到的微纳米皮革纤维置于管式炉内，在氩气氛围下，以5℃/min的升温速率，升温至900℃，并在最高温度下保温2h，之后随炉冷却至室温，得到氮杂碳纤维，其平均粒径为850nm。
将得到的氮杂碳纤维制备成电极，并测试该电极在1A/g的电流下比电容为104F/g。
实施例3：
步骤一、取废弃蓝湿革作为废弃皮革样品，利用固相力化学反应器在1MPa的压力，2000rpm的转速的条件下将皮革纤维剥离开来；得到微纳米的皮革纤维，其平均粒径为9.23μm。
步骤二，将得到的微纳米皮革纤维置于管式炉内，在氩气氛围下，以10℃/min的升温速率，升温至500℃，并在最高温度下保温12h，之后随炉冷却至室温，得到氮杂碳纤维，其平均粒径为5μm。
将得到的氮杂碳纤维制备成电极，并测试该电极在1A/g的电流下比电容为70F/g。
实施例4：
步骤一、取废弃蓝湿革作为废弃皮革样品，利用固相力化学反应器在8MPa的压力，1500rpm的转速的条件下将皮革纤维剥离开来；得到微纳米的皮革纤维，其平均粒径为508nm。
步骤二，将得到的微纳米皮革纤维置于管式炉内，在氩气氛围下，以5℃/min的升温速率，升温至500℃，并在最高温度下保温2h，之后随炉冷却至室温，得到氮杂碳纤维，其平均粒径为155nm。
将得到的氮杂碳纤维制备成电极，并测试该电极在1A/g的电流下比电容为90F/g。
实施例5：
步骤一、取废弃蓝湿革作为废弃皮革样品，利用固相力化学反应器在5MPa的压力，900rpm的转速的条件下将皮革纤维剥离开来；得到微纳米的皮革纤维，其平均粒径为812nm。
步骤二，将得到的微纳米皮革纤维置于管式炉内，在氩气氛围下，以2℃/min的升温速率，升温至900℃，并在最高温度下保温4h，之后随炉冷却至室温，得到氮杂碳纤维，其平均粒径为320nm。
将得到的氮杂碳纤维制备成电极，并测试该电极在1A/g的电流下比电容为150F/g。
实施例6：
步骤一、取废弃蓝湿革作为废弃皮革样品，利用固相力化学反应器在5MPa的压力，1500rpm的转速的条件下将皮革纤维剥离开来；得到微纳米的皮革纤维，其平均粒径为648nm。
步骤二，将得到的微纳米皮革纤维置于管式炉内，在氩气氛围下，以5℃/min的升温速率，升温至1500℃，并在最高温度下保温6h，之后随炉冷却至室温，得到氮杂碳纤维，其平均粒径为401nm。
将得到的氮杂碳纤维制备成电极，并测试该电极在0.1A/g的电流下比电容为86F/g。
实验例：
在扫描电镜下观察实施例1制备的皮革纤维，以及实施例1和2制备的碳纤维的微观结构，其结构如图1-3所示，从图1中，可以看出，经过固相力化学反应器处理后，得到的皮革纤维粒径为微纳米级，但与图2和图3相比，皮革纤维的粒径较大。是因为在经过热解碳化后，皮革纤维的有部分有机物和无机物被碳化，形成碳纤维，从图2和3中可以看出，碳纤维的粒径明显变小，其比表面积增大。实施例1中，热解温度为500℃，而在实施例2中，热解温度为900℃，实施例1得到的氮杂碳纤维(图2)较实施例2得到的氮杂碳纤维(图3)更粗，由此可见，温度升高，皮革纤维热解得更彻底，得到的氮杂碳纤维更细。并且，在实施例1中，该氮杂碳纤维制得的电极的比电容为67F/g，而实施例2的氮杂碳纤维制得的电极的比电容为104F/g，由此可见，当氮杂碳纤维的粒径越小时，氮杂碳纤维的比表面积越大，制备得到的电极的比电容也就越大，电极的电学性能越好。

Claims (6)

1.一种利用皮革制备氮杂碳纤维电极材料的方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1将废弃皮革置于固相力化学反应器中，制得微纳米皮革纤维；
S2将步骤S1制得的微纳米皮革纤维在惰性气氛中热解，得到氮杂碳纤维电极材料；
其中，在所述步骤S1中，所述固相力化学反应器中在1-10MPa的压力、100rpm-2000rpm的转速下，制得所述微纳米皮革纤维，所述微纳米皮革纤维的粒径为500nm～10μm；
在所述步骤S2中，所述热解反应的条件为，在温度为500-1500℃下反应1-12h，升温速率为1℃/min-10℃/min。
2.根据权利要求1所述的利用皮革制备氮杂碳纤维电极材料的方法，其特征在于：在所述步骤S1中，所述固相力化学反应器中在2-5MPa的压力、900rpm-1500rpm的转速下，制得所述微纳米皮革纤维。
3.根据权利要求1所述的利用皮革制备氮杂碳纤维电极材料的方法，其特征在于：所述氮杂碳纤维的粒径为150nm～5μm。
4.根据权利要求1所述的利用皮革制备氮杂碳纤维电极材料的方法，其特征在于：所述热解反应的条件为，在温度为700-1000℃下反应2-6h。
5.根据权利要求1所述的利用皮革制备氮杂碳纤维电极材料的方法，其特征在于：所述热解反应过程中，升温速率为2℃/min-5℃/min。
6.一种用于二次储能系统的电极，其特征在于，由权利要求1-5任一所述的氮杂碳纤维制备而成。
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