[發(fā)明專利]一種金屬微纖-納米碳復(fù)合材料及制備方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200810202113.4
• 申請(qǐng)日: 2008-10-31
• 公開（公告）號(hào): CN101397652A
• 公開（公告）日: 2009-04-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 路勇;姜芳婷;方玉珠;薛青松;何鳴元
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華東師范大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C16/26
• 分類號(hào): C23C16/26;C23C16/455;C23C16/52
• 代理公司: 上海藍(lán)迪專利事務(wù)所
• 代理人: 徐筱梅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種具有開放孔結(jié)構(gòu)的大表面積整體 式燒結(jié)金屬微纖—納米碳復(fù)合材料及制備方法。

背景技術(shù)

納米碳作為新一代的碳基材料，由于其微結(jié)構(gòu)和表面物化性質(zhì)的多變性 和可控性，在多相催化、電催化、電極材料等方面具有巨大的應(yīng)用前景。新 的能源轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)技術(shù)如燃料電池、二次電池和超級(jí)電容器等對(duì)高性能碳電 極/電催化材料的期盼，激起了人們對(duì)納米碳(特別是碳納米管)的研究熱潮。 上世紀(jì)90年代以來，人們對(duì)納米碳管的結(jié)構(gòu)可控合成、微區(qū)和表面性質(zhì)調(diào)控、 生長(zhǎng)機(jī)理以及應(yīng)用展開了廣泛而深入的研究，使得對(duì)納米碳管微結(jié)構(gòu)-表面物 化性質(zhì)-應(yīng)用性能的關(guān)系有了非常深刻的認(rèn)識(shí)，這為納米碳管的應(yīng)用奠定了堅(jiān) 實(shí)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

然而，其實(shí)際應(yīng)用中卻遇到與活性炭粉體材料相同的成型問題。比如， 超級(jí)電容或電容脫離子凈化水技術(shù)等的應(yīng)用對(duì)電極材料的要求是：良好導(dǎo)電 性；較大的有效比表面積；強(qiáng)化傳質(zhì)的開放孔結(jié)構(gòu)；良好的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn) 定性；易成形。采用納米碳纖維制作的電極，一般需要高分子膠粘劑，而高 分子膠粘劑不僅會(huì)犧牲電極材料的比表面積，還導(dǎo)致很高的電流傳導(dǎo)和質(zhì)量 傳遞阻力(受高分子膠粘劑的阻隔，納米碳纖維之間的接觸不是緊密連續(xù)的， 造成很高的電阻)；同時(shí)，電極厚度的增加和堆積床大的電位差。炭氣凝膠是 一種輕質(zhì)、多孔、納米級(jí)非晶碳材料，具有較大的比表面積和良好的導(dǎo)電性， 但這種材料價(jià)格貴，大面積整體結(jié)構(gòu)電極制備難度大(Advanced?Materials， 20(2008)815)。活性炭纖維(直徑10～13毫米)布，由于可以根據(jù)需要 制成紙、布、氈的形態(tài)和易于折疊成型，而引起了人們的注意；但其豐富的 微孔，易導(dǎo)致空間發(fā)生“重疊效應(yīng)”而不利于雙電層的形成。

有文獻(xiàn)報(bào)道(Appl.Phys.Lett.89(2006)053127/1-053127/3)在鎳箔 上采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)生長(zhǎng)納米管碳并用于電容脫鹽，單位重量的吸附容 量與炭氣凝膠相同，單位體積的吸附容量是后者的100倍和數(shù)百倍；但該材 料的一維平面結(jié)構(gòu)不利于徑向傳質(zhì)等。Bordjiba等(Chem.Phys.Lett.441 (2007)88-93)報(bào)道了一種多壁碳納米管修飾的炭紙材料，但碳納米管 (CNTs)載持量有限，且碳納米管(CNTs)與炭紙間并未實(shí)現(xiàn)“融合”接觸 而造成高的阻抗。Renken等(Surf.Coatings?Technol.202(2008) 3029-3042)在鍍有La₂NiO₄膜的304不銹鋼紗網(wǎng)(網(wǎng)線直徑200微米)上 進(jìn)行甲烷裂解制備了鍵合在紗網(wǎng)上的碳纖維/碳球。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供的一種具有開放孔結(jié)構(gòu)的大 表面積整體式燒結(jié)金屬微纖—納米碳復(fù)合材料，它無需粘結(jié)劑，具有三維開 放的孔結(jié)構(gòu)、良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的具體技術(shù)方案是：

一種金屬微纖-納米碳復(fù)合材料，該材料是以整體式燒結(jié)金屬微纖為基 體，向該基體表面沉積碳而得；其中：所得材料含碳為1～65％，含金屬微纖 為35～99％，碳為納米級(jí)；所述含量為重量百分含量。

所述金屬微纖是鎳、鈷、鐵或含鐵的金屬合金微纖。

所述碳源是烷烴、烯烴、炔烴、低碳醇或一氧化碳。

一種上述復(fù)合材料的制備方法，取整體式燒結(jié)金屬微纖置于反應(yīng)器中， 室溫下高純氮吹掃，于氮?dú)庵猩郎刂?00℃，切換成碳源與氫氣混和，其中 碳源流量：氣體50～100毫升/分鐘、液體0.1～0.15毫升/分鐘，氫氣流速 300毫升/分鐘；在700℃下，碳源在整體式燒結(jié)金屬微纖表面沉積碳；通入 碳源與氫氣的時(shí)間控制在2～60分鐘，之后切換成高純氮?dú)獬浞执祾?，并? 氮?dú)夥罩薪抵潦覝?，制得納米碳-金屬微纖復(fù)合材料。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)無需粘結(jié)劑、具有三維開放的孔結(jié)構(gòu)，使得納米碳表面高度可接近 且其表面特性得以保留。

(2)可以大面積制備，并可直接應(yīng)用和后改性。

(3)良好的導(dǎo)電/導(dǎo)熱性能，使得這種材料在電化學(xué)、催化等領(lǐng)域具有 廣闊應(yīng)用前景。

(4)易于制造、制造費(fèi)用小。

附圖說明

圖1為整體式燒結(jié)Ni金屬微纖基體的光學(xué)圖

圖2為整體式燒結(jié)Ni金屬微纖基體的SEM圖