[發(fā)明專利]一種多功能摻雜碳納米纖維氣凝膠的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410093405.4
• 申請日: 2014-03-13
• 公開（公告）號: CN103922301A
• 公開（公告）日: 2014-07-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 俞書宏;吳振禹;胡必成
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;B82Y30/00
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責(zé)任公司 34101
• 代理人: 何梅生

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多功能摻雜碳納米纖維氣凝膠的制備方法。

背景技術(shù)

高性能、低價(jià)格、環(huán)境友好的雜原子（氮、硼、磷、硫等）摻雜碳納米材料在電化學(xué)能源儲存和轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，如燃料電池、染料敏化電池、太陽能電池、鋰離子電池、超級電容器中有巨大的應(yīng)用前景。例如，摻雜的碳納米材料作為燃料電池中氧氣還原反應(yīng)電催化劑可以克服傳統(tǒng)鉑或鈀基催化劑成本過高，供應(yīng)有限，交叉失活和耐久性差等一些本征缺點(diǎn)。另一方面，作為超級電容器電極材料使用時(shí)，摻雜碳納米材料通過雙電層電容和贗電容的復(fù)合，表現(xiàn)出優(yōu)異的電容性能（如，大的電化學(xué)電容，高功率密度能量密度，以及長循環(huán)穩(wěn)定性等）。

現(xiàn)有技術(shù)公開了多種用于制備雜原子摻雜碳納米材料的方法，主要可分為兩種類型：直接合成法，后處理合成法。直接合成法包括化學(xué)氣相沉積法、組分分離生長法、溶劑熱法和電弧放電法等。這些方法都需要采用特殊的設(shè)備和苛刻的條件，并且產(chǎn)量很低，限制了它們的大規(guī)模應(yīng)用。后處理法主要包括在雜原子氣氛中或與含雜原子化合物進(jìn)行共熱處理法和等離子法。之中多數(shù)方法都不可避免的涉及到采用昂貴且有毒的前驅(qū)物，使其難以實(shí)際應(yīng)用。

有機(jī)染料，被廣泛用于許多行業(yè)，如紡織，造紙，印刷，塑料，醫(yī)藥，泡沫，化妝品，食品，因此這些行業(yè)的廢水往往含有過量的染料分子。某些染料及其降解衍生物有潛在致癌性和毒性，它們在水中的存在會造成對水生生物和人類造成嚴(yán)重威脅。考慮到在各種有機(jī)染料中富含雜原子，它們可被用作前驅(qū)物來制備摻雜碳納米材料。細(xì)菌纖維素是一個(gè)典型的生物質(zhì)材料，可以通過微生物發(fā)酵過程來工業(yè)規(guī)模化的生產(chǎn)，是制造超輕，柔性和高導(dǎo)電性的碳納米纖維氣凝膠的優(yōu)良前體，對有機(jī)染料分子具有較高的吸附能力。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種利用工業(yè)廢水中的染料分子和細(xì)菌纖維素作為前驅(qū)體制備摻雜碳納米纖維氣凝膠的方法，即具有通用性，又可以簡化制備工藝、降低制備成本，同時(shí)綠色環(huán)保。

本發(fā)明解決技術(shù)問題，采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明多功能摻雜碳納米纖維氣凝膠的制備方法，其特點(diǎn)在于按如下步驟進(jìn)行：

a、將細(xì)菌纖維素浸泡在去離子水中除酸，獲得備用細(xì)菌纖維素；

b、將所述備用細(xì)菌纖維素浸泡在有機(jī)染料溶液中，吸收至飽和，獲得染料/細(xì)菌纖維素；為了使浸泡更徹底，可以將備用細(xì)菌纖維素切成合適大小的長方塊和立方塊小片；為保證細(xì)菌纖維素吸收有機(jī)染料至飽和，浸泡時(shí)間設(shè)置有3-7天；

c、使用液氮冷凍所述染料/細(xì)菌纖維素，然后將冷凍后染料/細(xì)菌纖維素在冷凍干燥機(jī)中進(jìn)行干燥得到染料/細(xì)菌纖維素雜化的氣凝膠；

d、將所述染料/細(xì)菌纖維素雜化的氣凝膠置于管式爐中進(jìn)行高溫?zé)峤猓吹枚喙δ軗诫s碳納米纖維氣凝膠。

優(yōu)選的，步驟a中所述浸泡在去離子水中除酸的條件為：浸泡時(shí)間3-7天，且每天更換去離子水。

優(yōu)選的，步驟b中所述有機(jī)染料溶液是以亞甲基藍(lán)（含氮、硫）、剛果紅（含氮、硫）、酸性品紅（含氮、硫）、甲基橙（含氮、硫）、結(jié)晶紫（含氮）及羅丹明B（含氮）中的一種或多種的任意組合為溶質(zhì)，以去離子水為溶劑進(jìn)行制備，所述有機(jī)染料溶液濃度為0.1-3g/L。此外，含有氮元素的孔雀石綠染料也可以作為溶質(zhì)。

優(yōu)選的，步驟c中所述冷凍的時(shí)間為20-30min。冷凍時(shí)為避免染料/細(xì)菌纖維素凍裂，可以先將一燒杯放入液氮（-196℃）中，冷凍3-5min后取出，然后將染料/細(xì)菌纖維素貼壁放入燒杯中，最后再將燒杯放入液氮中冷凍20-30min，直至染料/細(xì)菌纖維素能輕易從燒杯壁上敲落，冷凍時(shí)避免染料/細(xì)菌纖維素與液氮直接接觸。

優(yōu)選的，步驟c中所述干燥的時(shí)間為3-5天，干燥溫度為-50℃，壓強(qiáng)為0.04mbar。

優(yōu)選的，步驟d中所述將所述染料/細(xì)菌纖維素雜化的氣凝膠置于管式爐中進(jìn)行高溫?zé)峤獾姆椒椋簩⑺鋈玖?細(xì)菌纖維素雜化的氣凝膠置于陶瓷舟中，然后放入管式爐；向管式爐中通入氬氣或氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣，首先將管式爐以1-3℃/min的速率升溫至500℃，保持1-3h，然后以4-6℃/min的速率升溫至600℃-1400℃，保持2-4h；再以4-6℃/min的速率降溫至500℃，最后再自然降至室溫；管式爐內(nèi)保持常壓。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：