[發(fā)明專(zhuān)利]松針狀碳納米管/碳纖維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)復(fù)合碳材料的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610388144.8
• 申請(qǐng)日: 2016-06-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106082159B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-12-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉世斌;孟衛(wèi)娟;李瑜;李一兵;張忠林;段東紅;郝曉剛
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 太原理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C01B32/16
• 分類(lèi)號(hào): C01B32/16;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 太原倍智知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)14111
• 代理人: 戎文華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種碳納米管/碳纖維復(fù)合碳材料的制備方法，具體是一種在碳纖維織物重疊交錯(cuò)的碳纖維基底上，利用化學(xué)氣相沉積法制備出高密度排列的松針狀碳納米管/碳纖維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)復(fù)合碳材料。

背景技術(shù)

碳納米管是“納米世界”中的重要一員，近年來(lái)一直處于國(guó)際科學(xué)的前沿領(lǐng)域。碳納米管可以看做是由石墨烯片層卷曲而成，按照石墨烯片的層數(shù)可分為：?jiǎn)伪谔技{米管和多壁碳納米管。一般來(lái)講，單壁碳納米管由于其表面結(jié)構(gòu)較完整而具有較高的化學(xué)惰性，隨著管壁層數(shù)的增加，在其表面上產(chǎn)生較多的缺陷，使得物理化學(xué)活性增強(qiáng)。多壁碳納米管具有比表面積大、機(jī)械強(qiáng)度高、表面活性相對(duì)較活潑等特性被眾多科研工作者關(guān)注和研究。

鑒于多壁碳納米管具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的導(dǎo)電特性，在納米電子器材、載體材料及儲(chǔ)氫材料等方面均具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，因此研究者們對(duì)多壁碳納米管的制備進(jìn)行了大量的研究工作，主要有電弧放電法、激光蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法等。自從1991年，多壁碳納米管首次在電弧放電法[Curl R.F. and Smalley R.E. Fullerenes [J]. Scientific American, 1991, (10) : 54-63.]生產(chǎn)富勒烯的陰極沉淀物中發(fā)現(xiàn)以來(lái), 關(guān)于碳納米管的制備在不斷地探索和完善中取得了重大進(jìn)展。近年來(lái)，采用化學(xué)氣相沉積法大規(guī)模制備多壁碳納米管發(fā)展成為一種較為成熟的方法，其原理是通過(guò)含碳?xì)怏w或者液體有機(jī)物在催化劑作用下裂解、沉積從而生長(zhǎng)碳納米管。制備出的碳納米管的管徑和管長(zhǎng)可有效控制，管壁較干凈且表面活性較高。在2001年Li等[Li Wenzhi, et al. Chemical Physics Letter, 2001, 335(3-4):141–149.]利用化學(xué)氣相沉淀法在純的石墨顆粒表面上直接生長(zhǎng)碳納米管，制備出了碳納米管/石墨復(fù)合體材料。該材料因綜合利用了導(dǎo)電基底的優(yōu)勢(shì)，從而在一定程度上提高了其在電化學(xué)器材中的應(yīng)用。但是，這種碳納米管/石墨復(fù)合材料大多為堆積形成的無(wú)序排列的粉體狀碳納米管，它們不具有三維多孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電框架不完整，在實(shí)際應(yīng)用中有所受限。隨后，Li等[Li Y, Huang Z, Huang K, et al. Hybrid Li-air battery cathodes with sparse carbon nanotube arrays directly grown on carbon fiber papers [J]. Energy & Environmental Science, 2013, 6(11): 3339-3345.]在碳紙的碳纖維上使用電沉積法負(fù)載無(wú)機(jī)金屬催化劑，利用化學(xué)氣相沉積法在碳纖維的一側(cè)成功制備了稀疏的陣列型碳納米管。雖然在碳纖維上生長(zhǎng)的碳納米管具有一定的陣列型結(jié)構(gòu)，但是引文中首先是催化劑負(fù)載工藝方法較為復(fù)雜，控制條件苛刻不易進(jìn)行。其次，該方法只在碳纖維的一側(cè)生長(zhǎng)稀疏的碳納米管陣列，而碳纖維的另一側(cè)基本沒(méi)有生長(zhǎng)出碳納米管，從而導(dǎo)致了碳納米管生長(zhǎng)量較少。因此，提高碳纖維基底表面的利用率，生長(zhǎng)高密度排列的碳納米管，從而進(jìn)一步提高導(dǎo)電框架的完整性成為必須解決的實(shí)際問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于利用化學(xué)氣相沉積法在碳纖維織物的碳纖維上制備出高密度排列的松針狀碳納米管/碳纖維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)復(fù)合碳材料，并提供一種松針狀碳納米管/碳纖維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)復(fù)合碳材料的制備方法。

本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下：

一種松針狀碳納米管/碳纖維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)復(fù)合碳材料的制備方法，所述制備方法是以碳纖維織物的纖維為生長(zhǎng)基底，在所述生長(zhǎng)基底上生長(zhǎng)高密度排列的碳納米管；其中，所述纖維直徑是3-10μm，所述碳納米管的長(zhǎng)度是5-150μm，所述碳納米管的直徑是20-220nm，所述碳納米管的排列密度是1×10²¹-220×10²¹根/m²。

上述技術(shù)方案的具體制備方法是按下列步驟進(jìn)行的：

（1）碳纖維織物的纖維表面預(yù)處理

將碳纖維織物置于異丙醇或者乙醇溶液中超聲清洗10-60min，并在60-100℃溫度下烘干20-60min；后將清洗后的纖維織物置于管式爐內(nèi)，控制溫度在500-700℃間，在氬氣氛圍下煅燒1-12h，對(duì)纖維表面進(jìn)行高溫脫粘處理；