一種細菌纖維素/活性碳纖維/石墨烯膜材料的制備方法及其應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種膜材料的制備方法及其應用。
【背景技術】
[0002]傳統的能源來源日益消耗殆盡，刺激人們去尋找可替代的能源和有效的能量貯存裝置，而超級電容器具有高功率密度和較高的能量密度，應用于混合電動車、電動車、便攜式電子設備等重要的領域，一直備受人們青睞。
[0003]當今社會對柔性、可彎曲設備儲能需求的快速增長，人們急需研發下一代價廉、柔軟、可彎曲的超級電容器，而電極材料是最重要的組成部分。但現有柔性電極材料制備工藝復雜、成本高，不具備良好的穩定性及力學性能。因此，釆用一個簡單、有效、環保、適用于規模化生產的制備方法制備高性能的柔性電極材料尤其重要。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是為了解決現有柔性電極材料制備工藝復雜、成本高，不具備良好的穩定性及力學性能的問題，提供一種細菌纖維素/活性碳纖維/石墨烯膜材料的制備方法及其應用。
[0005]本發明一種細菌纖維素/活性碳纖維/石墨烯膜材料的制備方法，按如下步驟進行:
[0006]—、將細菌纖維素剪切成塊浸泡在去離子水中超聲洗滌，然后用液氮冷凍后進行冷凍干燥15?30h，獲得備用細菌纖維素；
[0007]二、將備用細菌纖維素置于管式爐中進行高溫熱解，即得活性碳纖維，然后向活性碳纖維中加入表面活性劑，再分散在去離子水中，得到活性碳纖維分散液；
[0008]三、將細菌纖維素剪切成塊后浸泡在去離子水中超聲洗滌，然后置于去離子水中，攪拌使其分散均勻，再轉移到勻漿機中攪拌，得到細菌纖維素漿料；
[0009]四、向酸化的石墨烯中加入表面活性劑，然后分散在去離子水中，得到石墨烯分散液；將石墨烯分散液加入到活性碳纖維分散液中，攪拌使石墨烯和活性碳纖維分散均勻，得到復合材料分散液；
[0010]五、將步驟三的細菌纖維素漿料真空抽濾成膜，然后加入復合材料分散液繼續抽濾成膜，再放入真空干燥箱中進行干燥，制成細菌纖維素/活性碳纖維/石墨烯膜材料；其中細菌纖維素/活性碳纖維/石墨烯膜材料中細菌纖維素與步驟二的活性碳纖維的質量比為(15?1.5):1 ;細菌纖維素/活性碳纖維/石墨烯膜材料中細菌纖維素與步驟四中酸化的石墨烯的質量比為I: (0.02?0.2)。
[0011]本發明細菌纖維素/活性碳纖維/石墨烯膜材料的應用是指作為電極應用于超級電容器中。
[0012]活性碳纖維具有良好的化學穩定性、導電性和贗電容儲能特性，被認為是一種極具發展潛力的超級電容器電極材料。細菌纖維素，其薄膜具有超精細網狀結構，裂解后的細菌纖維素可制作納米碳纖維，所得活性碳纖維性能優良。
[0013]細菌纖維素是通過微生物的發酵獲得的，其性能優良、資源豐富、環境友好，薄膜具有超精細網狀結構、高結晶度、高純度、高機械強度，作為一種新興的環境友好型材料成為國內外材料領域研究的熱點，細菌纖維素含有大量的羥基，具有良好的親水性，與其他水溶性的高分子容易發生氫鍵結合，因而細菌纖維素作為復合材料具有天然的優勢。
[0014]石墨烯獨特的二維結構和出色的物理性能，使其在超級電容器中的應用具有極大的潛力。與傳統的多孔碳材料相比石墨烯具有大量的層間結構，導致其具有大的比表面積和非常高的導電性，從而成為電容器較有前景的電極材料。
[0015]本發明利用一種低成本、對環境友好且可規模化的制備方式，通過真空抽濾，制備出膜材料并以此組裝成電容器。結構表明膜材料力學性能優良，具有很好的電容性質和優良的循環使用性。因此，這種膜材料在超級電容器中的應用具有廣闊商業前景。
[0016]本發明的有益效果:(I)利用細菌纖維素超精細網絡結構和優異的力學性能等特性，以此為基底負載納米活性物質，可制備成超級電容器用自支撐自支撐柔性電極；⑵利用細菌纖維素超精細網絡結構直接高溫裂解制備活性碳纖維；(3)可規模化生產，制備工藝簡單、節能、反應條件溫和、毒性小，原料廉價易得成本低、膜材料穩定性及力學性能好；
(4)直接用做超級電容器電極具有很好的電容性。
【附圖說明】
[0017]圖1為實施例1制備的細菌纖維素/活性碳纖維/石墨烯膜材料的照片；
[0018]圖2為實施例1所獲得的以細菌纖維素/活性碳纖維/石墨烯膜材料制備的工作電極在6M氫氧化鉀電解液中的不同掃描速度下的循環伏安曲線；其中a為5mV/s，b為10mV/s，c 為 20mV/s, d 為 5OmV/s ；
[0019]圖3為實施例1所獲得的以細菌纖維素/活性碳纖維/石墨烯膜材料制備的工作電極在6M氫氧化鉀電解液中的恒電流充放電曲線；其中a為lmA/cm2，b為2mA/cm2，c為5mA/cm2, d 為 1mA/cm2；
[0020]圖4為實施例1中所獲得的以細菌纖維素/活性碳纖維/石墨烯膜材料制備的工作電極的交流阻抗譜圖；
[0021]圖5為實施例2所獲得的以細菌纖維素/活性碳纖維/石墨烯膜材料制備的工作電極在6M氫氧化鉀電解液中的不同掃描速度下的循環伏安曲線；其中a為5mV/s，b為10mV/s，c 為 20mV/s ；
[0022]圖6為實施例2所獲得的以細菌纖維素/活性碳纖維/石墨烯膜材料制備的工作電極在6M氫氧化鉀電解液中的恒電流充放電曲線；其中a為lmA/cm2，b為2mA/cm2，c為5mA/cm2, d 為 1mA/cm2；
[0023]圖7為實施例3所獲得的以細菌纖維素/活性碳纖維/石墨烯膜材料制備的工作電極在6M氫氧化鉀電解液中的不同掃描速度下的循環伏安曲線；其中a為5mV/s，b為10mV/s，c 為 20mV/s ；
[0024]圖8為實施例3所獲得的以細菌纖維素/活性碳纖維/石墨烯膜材料制備的工作電極在6M氫氧化鉀電解液中的恒電流充放電曲線；其中a為lmA/cm2，b為2mA/cm2，c為5mA/cm2, d 為 lOmA/cm2。
【具體實施方式】
[0025]本發明技術方案不局限于以下所列舉的【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】之間的任意組合。
[0026]【具體實施方式】一:本實施方式一種細菌纖維素/活性碳纖維/石墨烯膜材料的制備方法，按如下步驟進行:
[0027]—、將細菌纖維素剪切成塊浸泡在去離子水中超聲洗滌，然后用液氮冷凍后進行冷凍干燥15?30h，獲得備用細菌纖維素；
[0028]二、將備用細菌纖維素置于管式爐中進行高溫熱解，即得活性碳纖維，然后向活性碳纖維中加入表面活性劑，再分散在去離子水中，得到活性碳纖維分散液；
[0029]三、領取細菌纖維素剪切成塊后浸泡在去離子水中超聲洗滌，然后置于去離子水中，攪拌使其分散均勻，再轉移到勻漿機中攪拌，得到細菌纖維素漿料；
[0030]四、向酸化的石墨烯中加入表面活性劑，然后分散在去離子水中，得到石墨烯分散液；將石墨烯分散液加入到活性碳纖維分散液中，攪拌使石墨烯和活性碳纖維分散均勻，得到復合材料分散液；
[0031]五、將步驟三的細菌纖維素漿料真空抽濾成膜，然后加入復合材料分散液繼續抽濾成膜，再放入真空干燥箱中進行干燥，制成細菌纖維素/活性碳纖維/石墨烯膜材料；其中細菌纖維素/活性碳纖維/石墨烯膜材料中細菌纖維素與步驟二的活性碳纖維的質量比為(15?1.5):1 ;細菌纖維素/活性碳纖維/石墨烯膜材料中細菌纖維素與步驟四中酸化的石墨烯的質量比為I: (0.02?0.2)。
[0032]活性碳纖維具有良好的化學穩定性、導電性和贗電容儲能特性，被認為是一種極具發展潛力的超級電容器電極材料。細菌纖維素，其薄膜具有超精細網狀結構，裂解后的細菌纖維素可制作納米碳纖維，所得活性碳纖維性能優良。
[0033]細菌纖維素是通過微生物的發酵獲得的，其性能優良、資源豐富、環境友好，薄膜具有超精細網狀結構、高結晶度、高純度、高機械強度，作為一種新興的環境友好型材料成為國內外材料領域研究的熱點，細菌纖維素含有大量的羥基，具有良好的親水性，與其他水溶性的高分子容易發生氫鍵結合，因而細菌纖維素作為復合材料具有天然的優勢。
[0034]石墨烯獨特的二維結構和出色的物理性能，使其在超級電容器中的應用具有極大的潛力。與傳統的多孔碳材料相比石墨烯具有大量的層間結構，導致其具有大的比表面積和非常高的導電性，從而成為電容器較有前景的