一種氮摻雜介孔碳納米纖維的制備方法
【專利摘要】一種氮摻雜介孔碳納米纖維的制備方法，涉及超級電容器電極材料的制備技術領域，以明膠為碳源，尿素作為氮源和模板，在溶劑水蒸發驅動下，尿素結晶，而明膠分子在尿素晶體的表面自由組裝，高溫下明膠縮聚和炭化，尿素分子發生分解同時也將氮原子摻雜到碳材料中，最終制備出氮摻雜多孔碳納米纖維。本發明的優點在于制備出的電極材料具有較高的氮含量，比表面積大以及石墨化程度高，并且具有較好的電化學性能，在電容器電極材料等領域有重要的應用價值。
【專利說明】
一種氮摻雜介孔碳納米纖維的制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及超級電容器電極材料的制備技術領域。
【背景技術】
[0002]碳納米材料作為超級電容器最常用的電極材料，具有良好的電導性和較大的比表面積及極佳的電化學穩定性，且碳材料成本低、資源豐富，成為儲能領域的重要材料。但是由于碳材料分散性和離子親和性較差限制了它們的應用，研究者們通常通過摻雜氮、硼等雜原子，來提高它們的性能。氮摻雜可以增強碳材料的表面潤濕性和電子導電性，使其具有良好的循環能力。同時，氮原子還會增加贗電容作用，進而提高材料的電化學性能。
【發明內容】
[0003]為解決上述問題，本發明目的在于提出一種氮摻雜多孔碳納米纖維的制備方法。
[0004]本發明包括以下步驟:
1)磁力攪拌下，將明膠和尿素溶于去離子水中，得到混合均勻透明溶液;將混合溶液在60°C下反應，反應結束后冷卻至室溫，得到溶膠，將溶膠鋪展于玻璃板上，干燥后，自玻璃板上刮取I旲制品；
2)在氮氣保護下，將膜制品置于真空管式爐中煅燒，得到氮摻雜介孔碳納米纖維。
[0005]本發明設計方法簡單、環保。本發明采用模板法，以尿素為模板，與明膠混合進行刮膜，形成纖維。經高溫煅燒炭化后，得到氮摻雜多孔碳納米纖維。本發明制成的碳纖維直徑在70nm左右，表面有介孔結構，外部粗糙并且發生了不同程度彎曲。采用本發明制備的氮摻雜碳納米纖維，不僅氮含量較高，而且作為超級電容器的電極材料，具有較高的比電容。
[0006]進一步地，本發明所述步驟I)中，明膠與尿素的混合質量比為1:20。在此比例下，利用明膠的溶膠凝膠性，明膠分子均勻地排列在尿素晶體表面，且明膠負載量適宜。尿素作為氮源目的是使碳材料表面具有更多含氮官能團，因此，本發明取明膠與尿素的混合質量比為1:20，制備得到的氮摻雜多孔碳納米纖維比電容性能最優。
[0007]本發明所述步驟I)中，先將明膠于60°C條件下溶于去離子水溶液中形成明膠溶液，再加入尿素。先將明膠完全溶解于去離子水中變成溶膠，使明膠的三螺旋結構解開。然后加入尿素，以上兩種前體均勻地分布在水介質中。在刮膜和干燥冷卻過程中明膠恢復三螺旋同時自組裝排列在尿素晶體表面形成氮摻雜碳復合材料前體。
[0008]所述步驟I)中，所述明膠溶液中明膠質量濃度為20g/L，當原料明膠的濃度為20g/L時，溶膠的粘度適中，能成功地將溶膠呈連續膜狀鋪展于玻璃板上，而且干燥后易于收集。因此，控制明膠的質量濃度為20g/L，改變尿素的添加量，進而確定明膠與尿素最佳質量比。
[0009]所述步驟I)中，所述干燥的環境條件40°C。干燥溫度為40°C時，在不破壞尿素晶體形狀條件下可以使混合液平鋪于玻璃板上進行干燥且干燥時間適中。如溫度過高(超過80°C)尿素會發生分解，明膠的三螺旋結構會解開，影響碳纖維的形成。如溫度過低，明膠和尿素混合液會發生凝固，無法在玻璃板上進行鋪展。
[0010]所述步驟2)中，所述煅燒時，以5°C/min的升溫速率升溫至600?1000°C后保溫2h。在此條件下，所得材料碳化程度高。在同一明膠/尿素量不變的前題下，本發明可通過改變煅燒溫度來調節明膠的炭化程度。將升溫速率控制在5°C/min，既能減少碳含量的損失，同時也使尿素中的氮成功摻雜進碳材料中。如升溫速率過慢，雖然碳含量損失減少，但是煅燒時間過長，耗能較大。若升溫速率過快，雖然煅燒時間會減少，但是材料的碳含量損失嚴重，大孔也會增多，比表面積減小。
[0011]【附圖說明】:
圖1為采用本發明方法中制備的明膠和尿素的POM圖。
[0012]圖2為采用本發明方法制備的氮摻雜多孔碳納米纖維的TEM圖。
[0013]圖3為采用本發明方法制備的氮摻雜多孔碳納米纖維的SEM圖。
[0014]圖4為采用本發明方法制備的氮摻雜多孔碳納米纖維的X-射線衍射圖。
[0015]圖5為采用本發明方法制備的氮摻雜多孔碳納米纖維的的XPS圖。
【具體實施方式】
[0016]一、制備工藝:
1、實施例1:
(1)制備Gelatin-urea-l:20混合纖維:
將0.5g明膠溶于25mL去離子水溶液中，60°C下攪拌至均勻，得到質量濃度為20g/L的明膠溶液。
[0017]將1g的尿素加入到上述溶液中，60°C下反應30 min，反應結束后冷卻至室溫，然后，得到大量的溶膠，作為前驅體。接著將冷卻的前驅體平鋪于玻璃板上，并放入到40°C烘箱干燥。最后將膜刮下，收集備用。
(2)制備氮摻雜多孔碳納米纖維:
取以上制得的膜置于真空管式爐中，預先通入氮氣20min，然后再以5°C /min的升溫速率升溫至600°C保持2h，所得黑色纖維膜，即氮摻雜多孔碳納米纖維。
[0018]2、實施例2:
(1)制備Gelatin-urea-l:20混合纖維:
將0.5g明膠溶于25mL去離子水溶液中，60°C下攪拌至均勻，取得質量濃度為20g/L的明膠溶液。
[0019]將1g的尿素加入到上述溶液中，60°C下反應30min，反應結束后冷卻至室溫，然后得到大量的溶膠，作為前驅體。接著將冷卻的前驅體平鋪于玻璃板上，并加入到40°C烘箱干燥。最后將膜刮下，收集備用。
(2)制備氮摻雜多孔碳納米纖維:
取以上制得的膜置于真空管式爐中，預先通入氮氣20min，然后再以5°C/min的升溫速率升溫至800°C保持2h，所得黑色纖維膜，即氮摻雜多孔碳納米纖維。
[0020]3、實施例3:
(I)制備Gelatin-urea-l: 20混合纖維:
將0.5g明膠溶于25mL去離子水溶液中，60°C下攪拌至均勻，取得質量濃度為20g/L的明膠溶液。
[0021]將1g的尿素加入到上述溶液中，60°C下反應30min，反應結束后冷卻至室溫，然后得到大量的溶膠，作為前驅體。接著將冷卻的前驅體平鋪于玻璃板上，并加入到40°C烘箱干燥。最后將膜刮下，收集備用；
(2)制備氮摻雜多孔碳納米纖維:
取以上制得的膜置于真空管式爐中，預先通入氮氣20min，然后再以5°C /min的升溫速率升溫至1000°C保持2h，所得黑色纖維膜，即氮摻雜多孔碳納米纖維。
[0022]二、產物特性:
圖1為采用本發明方法于以上各例的步驟I)制備的明膠和尿素的POM圖。從圖中可以看出，炭化前明膠和尿素呈纖維形貌，且能明顯看出纖維表面粗糙且纖維較粗。
[0023]圖2為采用本發明方法于實施例1、2或3中步驟2)制備的氮摻雜多孔碳納米纖維的SEM圖。從圖中可以看出，炭化后由于明膠發生縮聚，纖維明顯變細，且高溫下纖維發生不同程度團聚和彎曲。
[0024]圖3為采用本發明方法于實施例1、2或3中步驟2)制備的氮摻雜多孔碳納米纖維的TEM圖。與圖2對應，進一步證明炭化后纖維的存在。
[0025]圖4為采用本發明方法于實施例1、2或3中步驟2)制備的氮摻雜多孔碳納米纖維的X-射線衍射圖。根據X-射線衍射結果可知，本發明制備得到的氮摻雜多孔碳纖維材料，與標準卡對比基本符合，進一步證明了材料的成分及結構。
[0026]圖5為采用本發明方法于實施例1、2或3中步驟2)制備的氮摻雜多孔碳納米纖維的XPS圖。從圖中可以看出，本發明制備的材料主要含有C，N，0，并且氮含量高達14.63%，更進一步證明了氮原子成功摻雜。
【主權項】
1.一種氮摻雜介孔碳納米纖維的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 1)磁力攪拌下，將明膠和尿素溶于去離子水中，得到混合均勻透明溶液;將混合溶液在60°C下反應，反應結束后冷卻至室溫，得到溶膠，將溶膠鋪展于玻璃板上，干燥后，自玻璃板上刮取I旲制品； 2)在氮氣保護下，將膜制品置于真空管式爐中煅燒，得到氮摻雜介孔碳納米纖維。2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于所述步驟I)中，所述明膠與尿素的混合質量比為1:20。3.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于所述步驟I)中，先將明膠于60°C條件下溶于去離子水溶液中形成明膠溶液，再加入尿素。4.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于所述步驟I)中，所述明膠溶液中明膠質量濃度為20g/L。5.根據權利要求1或2或3或4所述的制備方法，其特征在于所述步驟I)中，所述干燥的環境條件40°C。6.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于所述步驟2)中，所述煅燒時，以5°C/min的升溫速率升溫至600?1000 0C后保溫2h。
【文檔編號】H01G11/86GK106087119SQ201610388898
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月6日 公開號201610388898.3, CN 106087119 A, CN 106087119A, CN 201610388898, CN-A-106087119, CN106087119 A, CN106087119A, CN201610388898, CN201610388898.3
【發明人】范磊, 楊莉, 徐祥東, 郭榮
【申請人】揚州大學