CN113363084B - 氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯制备方法及用途 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯的制备方法。其包括如下步骤：碳纤维的制备、氮硫共掺杂碳纤维的制备、氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯的制备。该制备方法工艺稳定、易于操作、质量可靠、成本低廉，质量轻，无污染等特点，具有很好的商业化前景。

Description

氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯制备方法及用途
技术领域
本发明涉及一种氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯的制备方法及用途，属于复合纳米材料和电化学材料领域。
背景技术
随着可再生能源和商业电子设备的快速发展，急需发展一种更高能量密度和功率密度的新型储能材料。超级电容器作为一种储能设备备受人们的关注。超级电容器主要由电极、电解质、隔膜所组成，其性能主要取决于电极。多孔碳材料由于具有大比表面积、可调孔结构及大小、化学惰性、良好机械稳定性和导电性能被广泛应用于超级电容器的电极。
多孔碳基超级电容器是一种双电层电容器，其储能机理主要是电解质离子与电极材料之间电荷分离实现储能的。多孔碳基材料由于具有大比表面积、高孔隙率且孔隙分布均匀被广泛应用于双电层电容器。根据双电层电容器模型，超级电容器的比电容可以用C＝εA/d公式计算。式中A为表面积，d为孔壁与中心原子距离，ε为电极介电常数。因此能量储存正比于比表面积，反比于孔壁与中心原子距离。因此要提高碳基材料的能量密度必须增大比表面积和减小孔壁与中心原子的距离。而减小孔壁与中心原子的距离主要通过制备均匀的微孔结构。
除了以上提高的增大比表面积和制备均一的微孔结构外，还可以通过异质原子的掺杂，如氧、氮和硫等原子的掺杂以提高其比电容。其机理可能是异质原子基团之间的法拉第反应以及提高了孔壁与电解液之间的浸润性。如果制备高孔隙率和异质原子掺杂的碳基材料成为研究的热点。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯的制备方法及用途。
一种氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯的制备方法，其包括如下步骤：
制备纤维素/SiO2复合纤维；
将所述纤维素/SiO2复合纤维浸泡于NH4Cl溶液中，在80℃下活化后，干燥，在氩气保护条件下，以3～10℃/min的速率升温到300～360℃，保温2h，接着以3～10℃/min的速率从300～360℃升温到1000℃，保温2h，改通氯气，反应180min，反应结束后，改通氩气，自然降至常温，得到碳纤维；
利用所述碳纤维制备得到氮硫共掺杂碳纤维；
将所述氮硫共掺杂碳纤维在硫酸/硝酸的混合溶液中浸泡活化后，再浸泡于二氯亚砜中，得到酰氯改性氮硫共掺杂碳纤维；
将对苯二胺和所述酰氯改性氮硫共掺杂碳纤维分散于N,N-二甲基甲酰胺和三乙基胺的混合液中，在氮气的保护下，于120℃进行反应，得到对苯二胺改性氮硫共掺杂碳纤维；
将所述对苯二胺改性氮硫共掺杂碳纤维和十二烷基苯磺酸钠加入去离子水中，混匀后，加入吡咯单体和无水三氯化铁，反应后，用水和无水乙醇洗涤，经干燥，得到所述氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯。
作为优选方案，所述纤维素/SiO2复合纤维的制备方法为：
将醋酸纤维素溶解在N,N-二甲基甲酰胺和四氢呋喃的混合溶剂中，滴加入正硅酸四乙酯，混匀得到淬火液；
将所述淬火液在-40～-10℃下淬火后，除去混合溶剂，得到醋酸纤维素/SiO2复合纤维；
将所述醋酸纤维素/SiO2复合纤维用NaOH的乙醇溶液水解，得到所述纤维素/SiO2复合纤维。
作为优选方案，所述淬火液中，醋酸纤维素的质量浓度为3～9％；N,N-二甲基甲酰胺和四氢呋喃的质量比为(2～5)：(1～3)。
作为优选方案，所述NH4Cl溶液的质量浓度为0.5～1.5％。
作为优选方案，所述氩气流量为50～100μL/min。
作为优选方案，所述氮硫共掺杂碳纤维的制备方法为：
将碳纤维和十二烷基苯磺酸钠加入去离子水中，混匀后加入吡咯单体和噻吩单体，后加入无水FeC13，反应后，得到碳纤维/聚吡咯-噻吩复合物；
将所述碳纤维/聚吡咯-噻吩复合物用质量浓度为0.5～1.5％的NH4Cl溶液活化后，经过洗涤、干燥，在氮气的保护下，于300℃下保温2h后，再次升温至700～850℃，反应得到氮硫共掺杂碳纤维。
作为优选方案，所述吡咯单体与噻吩单体的质量比为(1～3)：1。
作为优选方案，硫酸/硝酸的混合溶液中，硫酸与硝酸的质量浓度比为3:1。
一种由前述制备方法得到的氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯在超级电容器中的用途。
本发明的基本原理为：
1)以醋酸纤维素为聚合物前驱体、正硅酸四乙酯为无机物前驱体，通过热致相分离方法得到醋酸纤维素/SiO2复合纤维，纤维的形成主要是聚合物前驱体相分离后，结晶所形成的。将醋酸纤维素/SiO2复合纤维浸泡在NaOH/乙醇溶液浸泡中主要是使热塑性的三醋酸纤维素转变为热固性的纤维素，使其在后续加热过程中，不发生熔融，能保持纤维形貌。通过氯化铵活化、预氧化和碳化，使纤维素转变为碳，在高温下使碳与SiO2反应形成无机骨架SiC，最后在氯气气氛下，使无机骨架SiC与氯气碳热还原，得到碳纤维，该碳纤维是由无机骨架碳化物还原得到，具有微孔结构，大大增加了比表面积。
2)以FeCl3为氧化引发剂，引发吡咯和噻吩聚合得到碳纤维/聚吡咯-噻吩复合物，最后活化、预氧化和碳化得到氮硫共掺杂碳纤维(NSCF)。
3)将NSCF浸泡在硝酸和硫酸的混合溶剂中活化，得到活化氮硫共掺杂碳纤维，将NSCF-COOH与二氯亚砜反应使羧基转变为酰氯，最后将产物与对苯二胺反应得到对苯二胺改性活化氮硫共掺杂碳纤维。以对苯二胺改性活化氮硫共掺杂碳纤维为骨架、十二烷基硫酸钠为表面活性剂、三氯化铁为引发剂，采用乳液聚合方法将吡咯接枝聚合到碳纤维骨架上得到氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯(ANSCF-PPy)。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯电极材料，利用碳纤维高孔隙率和大比表面积，提高了电解质与电极之间的浸润性。
2)将聚吡咯接枝到碳纤维上，克服了单一碳基材料比电容低的缺点，大大提高了电极材料的比电容。
3)与普通的导电聚合物和碳基材料复合相比，将导电聚合物接枝到碳基材料上，由于在聚吡咯和碳纤维之间形成了共价键连接，提高了电子在聚吡咯和碳纤维之间的传输，大大提高了材料的比电容。
4)该制备方法工艺稳定、易于操作、质量可靠、成本低廉，质量轻，无污染等特点，具有很好的商业化前景。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯制备流程图；
图2为本发明中实施例1得到的氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
1)碳纤维的制备
将1.8g醋酸纤维素(CA)溶解在20gN,N-二甲基甲酰胺和30g四氢呋喃的混合溶剂中，50℃磁力搅拌5h溶解，形成溶液。将0.6g正硅酸四乙酯滴加到溶液中，继续搅拌2h，得到前驱体淬火溶液。将前驱体淬火溶液在-30℃下淬火90min后，拿出浸泡在蒸馏水中除去混合溶剂，每8h换蒸馏水一次，换蒸馏水3次。经过洗涤、干燥得到CA/SiO2复合纤维。将CA/SiO2复合纤维浸泡在0.1mol/LNaOH乙醇溶液浸泡中24h，将CA转化为纤维素，蒸馏水洗涤、干燥，得到纤维素/SiO2复合纤维。将纤维素/SiO2纤维浸泡在质量浓度为1％NH4Cl溶液中，80℃水浴震荡器中震荡5h，于60℃鼓风干燥箱中干燥24h。将NH4Cl活化后的纤维素/SiO2纤维，在氩气保护条件下置于气氛炉中，氩气流量为50μm/L，从25℃升温到320℃，升温速率为3℃/min，在该温度下保温2h。接着从320℃升温到1000℃，升温速率为5℃/min，在该温度下保温2h，改通氯气，反应180min，反应结束后，改通氩气，自然降至常温，得到碳纤维。
2)氮硫共掺杂碳纤维的制备
室温下将0.5g碳纤维、2g十二烷基苯磺酸钠加入到200ml去离子水中进行搅拌。搅拌均匀后注入0.1g吡咯和0.05g噻吩单体，后加入1g FeC13。混合液继续搅拌反应12h。产物用水和无水乙醇洗涤3次后，在60℃下真空烘箱中干燥24h，得到碳纤维/聚吡咯-噻吩复合物。将碳纤维/聚吡咯-噻吩复合物用质量浓度为0.5％的NH4Cl溶液活化、洗涤、干燥、氮气保护下，从25℃升温到300℃，保温2h，接着从300℃升温到750℃，保温2h，得到氮硫共掺杂碳纤维(NSCF)。
3)氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯的制备
将0.3g氮硫共掺杂碳纤维浸泡在硫酸和硝酸的混合溶液中5h，混合溶液中硫酸与硝酸的质量浓度比为3:1。洗涤、干燥得到活化氮硫共掺杂碳纤维(ANSCF)。将活化氮硫共掺杂碳纤维浸泡在15mL的二氯亚砜中3h，将羧基转变为酰氯，浸泡结束后取出干燥，得到酰氯改性氮硫共掺杂碳纤维，简写为ANSCF-COCl。在三口烧瓶中加入30mL N,N-二甲基甲酰胺和5mL三乙基胺中，将0.2gANSCF-COCl和3.2g对苯二胺加入三口烧瓶中，氮气保护条件下，120℃反应30h，产物过滤、乙醇洗涤、干燥得到对苯二胺改性氮硫共掺杂碳纤维。
室温下将0.2g对苯二胺改性氮硫共掺杂碳纤维、0.2g十二烷基苯磺酸钠加入到100ml去离子水中进行搅拌。搅拌均匀后注入0.2g吡咯单体，而后加入2g FeC13，继续搅拌反应12h。产物用水和无水乙醇洗涤3次后，在60℃下真空烘箱中干燥24h，得到氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯，制备过程如图1所示。
本实施例制备的氮硫共掺杂碳纤维接枝聚噻吩的扫描电镜如图2所示。纤维的直径为510±121nm。电流密度为1A/g条件下，比电容为310F/g，循环使用800次后，电容为初始值的89.23％。
实施例2
1)碳纤维的制备
将3g醋酸纤维素(CA)溶解在35gN,N-二甲基甲酰胺和15g四氢呋喃的混合溶剂中，50℃磁力搅拌5h溶解，形成溶液。将1g正硅酸四乙酯滴加到溶液中，继续搅拌2h，得到前驱体淬火溶液。将前驱体淬火溶液在-20℃下淬火120min后，拿出浸泡在蒸馏水中除去混合溶剂，每8h换蒸馏水一次，换蒸馏水3次。经过洗涤、干燥得到CA/SiO2复合纤维。将CA/SiO2复合纤维浸泡在0.1mol/LNaOH乙醇溶液浸泡中24h，将CA转化为纤维素，蒸馏水洗涤、干燥，得到纤维素/SiO2复合纤维。将纤维素/SiO2纤维浸泡在质量浓度为0.6％NH4Cl溶液中，80℃水浴震荡器中震荡5h，于60℃鼓风干燥箱中干燥24h。将NH4Cl活化后的纤维素/SiO2纤维，在氩气保护条件下置于气氛炉中，氩气流量为80μm/L，从25℃升温到330℃，升温速率为5℃/min，在该温度下保温2h。接着从330℃升温到1000℃，升温速率为4℃/min，在该温度下保温2h，改通氯气，反应180min，反应结束后，改通氩气，自然降至常温，得到碳纤维。
2)氮硫共掺杂碳纤维的制备
室温下将0.5g碳纤维、2g十二烷基苯磺酸钠加入到200ml去离子水中进行搅拌。搅拌均匀后注入0.15g吡咯和0.08g噻吩单体，后加入1.2g FeC13。混合液继续搅拌反应12h。产物用水和无水乙醇洗涤3次后，在60℃下真空烘箱中干燥24h，得到碳纤维/聚吡咯-噻吩复合物。将碳纤维/聚吡咯-噻吩复合物用质量浓度为0.8％的NH4Cl溶液活化、洗涤、干燥、氮气保护下，从25℃升温到300℃，保温2h，接着从300℃升温到800℃，保温2h，得到氮硫共掺杂碳纤维(NSCF)。
3)氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯的制备
将0.3g氮硫共掺杂碳纤维浸泡在硫酸和硝酸的混合溶液中5h，混合溶液中硫酸与硝酸的质量浓度比为3:1。洗涤、干燥得到活化氮硫共掺杂碳纤维(ANSCF)。将活化氮硫共掺杂碳纤维浸泡在15mL的二氯亚砜中3h，将羧基转变为酰氯，浸泡结束后取出干燥，得到酰氯改性氮硫共掺杂碳纤维，简写为ANSCF-COCl。在三口烧瓶中加入30mL N,N-二甲基甲酰胺和5mL三乙基胺中，将0.2gANSCF-COCl和3.2g对苯二胺加入三口烧瓶中，氮气保护条件下，120℃反应30h，产物过滤、乙醇洗涤、干燥得到对苯二胺改性氮硫共掺杂碳纤维。
室温下将0.2g对苯二胺改性氮硫共掺杂碳纤维、0.2g十二烷基苯磺酸钠加入到100ml去离子水中进行搅拌。搅拌均匀后注入0.2g吡咯单体，而后加入2g FeC13，继续搅拌反应12h。产物用水和无水乙醇洗涤3次后，在60℃下真空烘箱中干燥24h，得到氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯。
本实施例制备的氮硫共掺杂碳纤维接枝聚噻吩，纤维的直径为560±151nm。电流密度为1A/g条件下，比电容为298F/g，循环使用800次后，电容为初始值的88.29％。
实施例3
1)碳纤维的制备
将3.5g醋酸纤维素(CA)溶解在50gN,N-二甲基甲酰胺和10g四氢呋喃的混合溶剂中，50℃磁力搅拌5h溶解，形成溶液。将0.8g正硅酸四乙酯滴加到溶液中，继续搅拌2h，得到前驱体淬火溶液。将前驱体淬火溶液在-10℃下淬火100min后，拿出浸泡在蒸馏水中除去混合溶剂，每8h换蒸馏水一次，换蒸馏水3次。经过洗涤、干燥得到CA/SiO2复合纤维。将CA/SiO2复合纤维浸泡在0.1mol/LNaOH乙醇溶液浸泡中24h，将CA转化为纤维素，蒸馏水洗涤、干燥，得到纤维素/SiO2复合纤维。将纤维素/SiO2纤维浸泡在质量浓度为0.8％NH4Cl溶液中，80℃水浴震荡器中震荡5h，于60℃鼓风干燥箱中干燥24h。将NH4Cl活化后的纤维素/SiO2纤维，在氩气保护条件下置于气氛炉中，氩气流量为100μm/L，从25℃升温到350℃，升温速率为7℃/min，在该温度下保温2h。接着从350℃升温到1000℃，升温速率为5℃/min，在该温度下保温2h，改通氯气，反应180min，反应结束后，改通氩气，自然降至常温，得到碳纤维。
2)氮硫共掺杂碳纤维的制备
室温下将0.5g碳纤维、2g十二烷基苯磺酸钠加入到200ml去离子水中进行搅拌。搅拌均匀后注入0.2g吡咯和0.06g噻吩单体，后加入1.6g FeC13。混合液继续搅拌反应12h。产物用水和无水乙醇洗涤3次后，在60℃下真空烘箱中干燥24h，得到碳纤维/聚吡咯-噻吩复合物。将碳纤维/聚吡咯-噻吩复合物用质量浓度为1％的NH4Cl溶液活化、洗涤、干燥、氮气保护下，从25℃升温到300℃，保温2h，接着从300℃升温到750℃，保温2h，得到氮硫共掺杂碳纤维(NSCF)。
3)氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯的制备
将0.3g氮硫共掺杂碳纤维浸泡在硫酸和硝酸的混合溶液中5h，混合溶液中硫酸与硝酸的质量浓度比为3:1。洗涤、干燥得到活化氮硫共掺杂碳纤维(ANSCF)。将活化氮硫共掺杂碳纤维浸泡在15mL的二氯亚砜中3h，将羧基转变为酰氯，浸泡结束后取出干燥，得到酰氯改性氮硫共掺杂碳纤维，简写为ANSCF-COCl。在三口烧瓶中加入30mL N,N-二甲基甲酰胺和5mL三乙基胺中，将0.2gANSCF-COCl和3.2g对苯二胺加入三口烧瓶中，氮气保护条件下，120℃反应30h，产物过滤、乙醇洗涤、干燥得到对苯二胺改性氮硫共掺杂碳纤维。
室温下将0.2g对苯二胺改性氮硫共掺杂碳纤维、0.2g十二烷基苯磺酸钠加入到100ml去离子水中进行搅拌。搅拌均匀后注入0.2g吡咯单体，而后加入2g FeC13，继续搅拌反应12h。产物用水和无水乙醇洗涤3次后，在60℃下真空烘箱中干燥24h，得到氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯。
本实施例制备的氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯，纤维的直径为469±131nm。电流密度为1A/g条件下，比电容为319F/g，循环使用800次后，电容为初始值的90.14％。
对比例1
与实施例1不同的是步骤1)中，前驱体溶液不淬火，直接用水萃取，其余步骤相同，不通过淬火就无法得到细纤维结构，最终得到的氮硫共掺杂碳纤维接枝聚噻吩的直径为20±15μm，电流密度为1A/g条件下，比电容为56F/g，循环使用800次后，电容为初始值的81.19％。
对比例2
与实施例1不同的是省略步骤1)，直接采用商业购买的碳纤维为骨架，其余步骤不变，最终得到氮硫共掺杂碳纤维接枝聚噻吩。电流密度为1A/g条件下，比电容为164F/g，循环使用800次后，电容为初始值的78.13％。
对比例3
与实施例1不同的是省略步骤2)中“搅拌均匀后注入0.2g吡咯和0.06g噻吩单体”改为“搅拌均匀后注入0.26g吡咯”其余步骤不变，最终得到氮掺杂碳纤维接枝聚吡咯。电流密度为1A/g条件下，比电容为268F/g，循环使用800次后，电容为初始值的88.13％。
对比例4
与实施例1不同的是省略步骤2)中“搅拌均匀后注入0.2g吡咯和0.06g噻吩单体”改为“搅拌均匀后注入0.26g噻吩”其余步骤不变，最终得到硫掺杂碳纤维接枝聚吡咯。电流密度为1A/g条件下，比电容为227F/g，循环使用800次后，电容为初始值的81.45％。
对比例5
与实施例1不同的是省略步骤3)，直接得到氮硫共掺杂碳纤维，纤维的直径为498±109nm。电流密度为1A/g条件下，比电容为267F/g，循环使用800次后，电容为初始值的87.66％。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
制备纤维素/SiO2复合纤维；
将所述纤维素/SiO2复合纤维浸泡于NH4Cl溶液中，在80℃下活化后，干燥，在氩气保护条件下，以3～10℃/min的速率升温到300～360℃，保温2h，接着以3～10℃/min的速率从300～360℃升温到1000℃，保温2h，改通氯气，反应180min，反应结束后，改通氩气，自然降至常温，得到碳纤维；
利用所述碳纤维制备得到氮硫共掺杂碳纤维；
将所述氮硫共掺杂碳纤维在硫酸/硝酸的混合溶液中浸泡活化后，再浸泡于二氯亚砜中，得到酰氯改性氮硫共掺杂碳纤维；
将对苯二胺和所述酰氯改性氮硫共掺杂碳纤维分散于N,N-二甲基甲酰胺和三乙基胺的混合液中，在氮气的保护下，于120℃进行反应，得到对苯二胺改性氮硫共掺杂碳纤维；
将所述对苯二胺改性氮硫共掺杂碳纤维和十二烷基苯磺酸钠加入去离子水中，混匀后，加入吡咯单体和无水三氯化铁，反应后，用水和无水乙醇洗涤，经干燥，得到所述氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯。
2.如权利要求1所述的氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯的制备方法，其特征在于，所述纤维素/SiO2复合纤维的制备方法为：
将醋酸纤维素溶解在N,N-二甲基甲酰胺和四氢呋喃的混合溶剂中，滴加入正硅酸四乙酯，混匀得到淬火液；
将所述淬火液在-40～-10℃下淬火后，除去混合溶剂，得到醋酸纤维素/SiO2复合纤维；
将所述醋酸纤维素/SiO2复合纤维用NaOH的乙醇溶液水解，得到所述纤维素/SiO2复合纤维。
3.如权利要求2所述的氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯的制备方法，其特征在于，所述淬火液中，醋酸纤维素的质量浓度为3～9％；N,N-二甲基甲酰胺和四氢呋喃的质量比为(2～5)：(1～3)。
4.如权利要求1所述的氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯的制备方法，其特征在于，所述NH4Cl溶液的质量浓度为0.5～1.5％。
5.如权利要求1所述的氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯的制备方法，其特征在于，所述氩气流量为50～100μL/min。
6.如权利要求1所述的氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯的制备方法，其特征在于，所述氮硫共掺杂碳纤维的制备方法为：
将碳纤维和十二烷基苯磺酸钠加入去离子水中，混匀后加入吡咯单体和噻吩单体，后加入无水FeC13，反应后，得到碳纤维/聚吡咯-噻吩复合物；
将所述碳纤维/聚吡咯-噻吩复合物用质量浓度为0.5～1.5％的NH4Cl溶液活化后，经过洗涤、干燥，在氮气的保护下，于300℃下保温2h后，再次升温至700～850℃，反应得到氮硫共掺杂碳纤维。
7.如权利要求6所述的氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯的制备方法，其特征在于，所述吡咯单体与噻吩单体的质量比为(1～3)：1。
8.如权利要求1所述的氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯的制备方法，其特征在于，硫酸/硝酸的混合溶液中，硫酸与硝酸的质量浓度比为3:1。
9.一种由权利要求1～8中任意一项所述制备方法得到的氮硫共掺杂碳纤维接枝聚吡咯在超级电容器中的用途。
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