一種高比表面積多孔碳纖維的制備方法與流程

本發明涉及多孔纖維材料技術領域，特別涉及一種高比表面積多孔碳纖維的制備方法。

背景技術：

碳纖維由于其獨特的結構以及特性被廣泛地用做大分子吸收材料、超級電容器、電池、催化劑載體、氣體或液體的過濾以及場發射顯示材料等。靜電紡絲法是制備碳纖維的一種非常簡便而且高效的方法，并且由于成本低廉受到了大家的廣泛關注。但是普通的靜電紡絲法制備的碳纖維是無孔結構的碳纖維，比表面積都較低，這大大限制了碳纖維的應用。針對這個缺點，近年來高比表面多孔碳纖維及其制備引起了人們廣泛的研究興趣，成為研究開發的熱點。

文獻表面多孔碳纖維雖然有高的比表面積，但其多數是由微孔表面產生，離子遷移阻力大，導致其功率特性和頻率響應特性欠佳。而含有介孔的碳纖維具有較大的比表面積、獨特的孔徑結構、良好的導電性等優點，能夠提供巨大的反應界面、快速的離子傳輸通道。同時，含有介孔的碳纖維有利于活性物質的均勻負載、鋰離子的輸運、電解質溶液的擴散以及緩沖鋰離子化，因此是一種良好的電極材料載體。然而目前關于制備含有介孔的碳纖維的方法主要是以軟模板法、硬模板法或者是將PMMA、氯化銨、偶氮二甲酸二異丙酯等造孔劑加入到紡絲原液中，通過煅燒造孔為主。但是，一般通過煅燒產生的微孔由于無法浸潤而無法提高材料的性能，因此發展一種性能更優越的適用于作為催化劑載體、超級電容器以及鋰離子電池等方面的多孔碳纖維具有非常重要的意義。

技術實現要素：

針對以上技術的不足，本發明的目的在于提供一種高比表面積多孔碳纖維的制備方法。

為實現上述技術目的，本發明采用以下技術方案：

一種高比表面積多孔碳纖維的制備方法，包括以下步驟：將包括聚丙烯腈、造孔劑和N,N-二甲基甲酰胺的紡絲液進行靜電紡絲后碳化，經過熱堿洗干燥后得到所述高比表面多孔碳纖維。

所述聚丙烯腈、造孔劑和N,N-二甲基甲酰胺的重量份配比為1：0.04-0.2：5-10；

所述的聚丙烯腈為市售產品，數均分子量為50w-300w；

所述致孔劑為納米二氧化硅，尺寸為7-14nm。

所述碳化步驟依次包括在空氣中的預氧化和惰性氣氛中的高溫碳化。

所述預氧化步驟中，溫度為180-250℃，時間為1-4小時。

所述高溫碳化步驟中，溫度為700~900℃，碳化時間為1~3小時，之后自然降溫冷卻，整個過程保持在惰性氣氛中。

所述熱堿洗步驟中，堿選自氫氧化鈉、氫氧化鉀中的至少一種；所述堿的濃度為0.5-2M；時間為12小時，溫度為100℃。熱堿洗的目的是為了除去纖維內部的二氧化硅。

由于上述本發明提供的高比表面多孔碳纖維具有高比表面，而且同時具有微孔和介孔結構，使得該高比表面多孔碳纖維對于離子的傳質有著很好的優勢。因而，本發明的多孔碳纖維適合在制備超級電容器、鋰離子電池、催化劑載體中的應用。

本發明的有益效果在于：

本發明的碳纖維具有非常高的比表面積，同時兼具微孔和介孔結構， 特別適用于在制備超級電容器、鋰離子電池、催化劑載體中的應用。

與現有高比表面碳纖維制備方法相比，本發明提供的方法具有如下優點：與現有的制備多孔碳纖維的方法不同，本發明引入了納米二氧化硅作為造孔劑，使用熱堿洗法去除纖維的二氧化硅，而非現有的堿活化法、蒸汽活化法以及熱分解性共聚物造孔法等，制備的多孔碳纖維具有高比表面和豐富的微孔和介孔結構。

附圖說明

圖1為本發明方法制備的高比表面積碳纖維的SEM照片。

圖2為本發明實施例一制備的碳纖維的氮氣吸附脫附等溫線。

具體實施方式

實施例1：將1重量份的聚丙烯腈，0.04重量份的造孔劑加入到6重量份的N,N-二甲基甲酰胺溶劑中，充分攪拌分散得靜電紡絲原液；

將靜電紡絲原液在靜電紡絲設備上進行紡絲得到纖維(前驅體纖維)，靜電紡絲參數為：紡絲針頭G30，紡絲電壓25kV，紡絲距離20cm；將纖維在180℃下預氧化4小時，之后，將固化纖維膠置于管式碳化爐中，在氮氣的保護下從室溫以5℃/min的加熱速率升溫至700℃，恒溫碳化3小時，自然降溫冷卻后放入溫度為100℃的0.5M的氫氧化鈉溶液中加熱12小時，把堿沖洗干凈后烘干得到高比表面積多孔碳纖維。如圖1、2所示，在77K下進行氮氣吸附測試比表面積為840m²/g，微孔比表面積為428m²/g，平均孔徑大小為2.34nm。

實施例2：將1重量份的聚丙烯腈，0.2重量份的造孔劑加入到5重量份的N,N-二甲基甲酰胺溶劑中，充分攪拌分散得靜電紡絲原液；

將靜電紡絲原液在靜電紡絲設備上進行紡絲得到纖維(前驅體纖維)，靜電紡絲參數為：紡絲針頭G30，紡絲電壓25kV，紡絲距離20cm；將纖維在250℃下預氧化1小時，之后，將固化纖維膠置于管式碳化爐中，在氮氣的保護下從室溫以5℃/min的加熱速率升溫至900℃，恒溫碳化1小時，自然降溫冷卻后放入溫度為100℃的2M的氫氧化鈉溶液中加熱12小時，把堿沖洗干凈后烘干得到高比表面積多孔碳纖維。

實施例3：將1重量份的聚丙烯腈，0.1重量份的造孔劑加入到10重量份的N,N-二甲基甲酰胺溶劑中，充分攪拌分散得靜電紡絲原液；

將靜電紡絲原液在靜電紡絲設備上進行紡絲得到纖維(前驅體纖維)，靜電紡絲參數為：紡絲針頭G30，紡絲電壓25kV，紡絲距離20cm；將纖維在200℃下預氧化2小時，之后，將固化纖維膠置于管式碳化爐中，在氮氣的保護下從室溫以5℃/min的加熱速率升溫至800℃，恒溫碳化2小時，自然降溫冷卻后放入溫度為100℃的1M的氫氧化鈉溶液中加熱12小時，把堿沖洗干凈后烘干得到高比表面積多孔碳纖維。

實施例4：將1重量份的聚丙烯腈，0.05重量份的造孔劑加入到6重量份的N,N-二甲基甲酰胺溶劑中，充分攪拌分散得靜電紡絲原液；

將靜電紡絲原液在靜電紡絲設備上進行紡絲得到纖維(前驅體纖維)，靜電紡絲參數為：紡絲針頭G30，紡絲電壓25kV，紡絲距離20cm；將纖維在220℃下預氧化2小時，之后，將固化纖維膠置于管式碳化爐中，在氮氣的保護下從室溫以5℃/min的加熱速率升溫至900℃，恒溫碳化3小時，自然降溫冷卻后放入溫度為100℃的0.5M的氫氧化鈉溶液中加熱12小時，把堿沖洗干凈后烘干得到高比表面積多孔碳纖維。