[發(fā)明專利]一種硒化鎢/石墨烯/碳納米纖維復合材料及其制備方法

在審

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• 申請日: 2017-04-19
• 公開（公告）號: CN107190361A
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發(fā)明（設計）人: 黃云鵬;袁壽其;李華明;崔芬;趙巖;包健
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: D01F9/08
• 分類號: D01F9/08;D01F9/22;D06M11/52;D06M101/40
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技術領域

本發(fā)明屬于功能化碳納米纖維領域，具體涉及一種硒化鎢/石墨烯/碳納米纖維復合材料及其制備方法。

背景技術

碳纖維是一種含碳量在95％以上的新型纖維材料，其質量比金屬鋁輕，但強度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國防軍工和民用方面都是重要材料。同時，碳纖維良好的導電導熱性能使其在新一代能量存儲與轉換領域具有廣泛的應用前景。

靜電紡絲技術作為一種方便、低成本的納米纖維制備技術，可以制備比表面積大、孔隙率高的納米纖維無紡布材料。通過對靜電紡聚合物納米纖維，如聚丙烯腈或聚酰亞胺納米纖維，進行碳化和石墨化處理，可以得到碳納米纖維無紡布材料。相比傳統(tǒng)碳纖維布，靜電紡碳納米纖維具有更低的密度和更高的比表面積，但是受限于較低的碳化溫度和較小的纖維微觀直徑，靜電紡碳納米纖維通常力學強度較差，導電性較低。另外，隨著越來越多的研究者將電紡納米纖維材料應用于新型儲能材料，電紡碳納米纖維較低的電化學活性也嚴重地制約了其性能表現(xiàn)。因此，尋找一種經濟有效的方法來增強靜電紡碳纖維的導電性和電化學活性仍頗具挑戰(zhàn)性。

石墨烯是一種典型的二維納米碳材料，由碳原子以sp²雜化排列、緊密堆積而成的蜂窩晶格結構，因其具有密度小、比表面積大、載流子遷移速率大及電導率高等優(yōu)點而成為化學、物理、材料等學科領域的研究熱點。氧化石墨烯邊緣具有大量的羧基、羥基等含氧基團，經超聲處理很容易實現(xiàn)其在水溶液中的均勻分散。更重要的是，這些官能團還能和靜電紡聚合物納米纖維表面的基團相互作用，形成有效鍵合。因此，我們期望用這種水分散性良好且環(huán)境友好的氧化石墨烯通過其與靜電紡納米纖維表面的相互作用力來實現(xiàn)兩者的復合，最終經過一步碳化以得到石墨烯均勻包覆的碳納米纖維，然后通過簡單的溶劑熱反應將具有優(yōu)異電化學活性的硒化鎢納米片上載于石墨烯功能化的碳納米纖維上，同時增強電紡納米纖維材料的導電性和電化學活性。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種經濟有效的方法來增強靜電紡碳纖維的導電性和電化學活性。

本發(fā)明利用氧化石墨烯和氧化聚丙烯腈納米纖維之間的氫鍵作用力，通過簡單的自組裝方法結合高溫碳化技術，制備得到新型的石墨烯功能化的碳納米纖維。

本發(fā)明通過簡便的溶劑熱法，在石墨烯功能化的碳納米纖維上均勻上載了硒化鎢納米片，最終構筑了一種兼具良好導電性和電化學活性的碳納米纖維復合材料。

本發(fā)明是通過如下技術方案實現(xiàn)的：

一種硒化鎢/石墨烯/碳納米纖維復合材料，所述硒化鎢/石墨烯/碳納米纖維復合材料是由硒化鎢、石墨烯片層、碳納米纖維復合而成的，所述石墨烯片層包裹在碳納米纖維表面，形成穩(wěn)定的皮芯結構的石墨烯/碳納米纖維復合材料；所述硒化鎢為片狀，均勻分布于所述石墨烯/碳納米纖維復合材料的表面。

一種硒化鎢/石墨烯/碳納米纖維復合材料的制備方法，步驟如下：

(1)在攪拌和油浴條件下，配制聚丙烯腈紡絲溶液；

(2)采用靜電紡絲法制備聚丙烯腈納米纖維；

(3)通過程序控溫，對步驟(2)的聚丙烯腈納米纖維進行預氧化處理，得到表面功能化的氧化聚丙烯腈納米纖維；

(4)將氧化石墨分散于去離子水中，超聲得到穩(wěn)定分散的氧化石墨烯分散液；

(5)將步驟(3)得到的氧化聚丙烯腈納米纖維浸泡于步驟(4)得到的氧化石墨烯分散液中，靜置以使氧化石墨烯在氧化聚丙烯腈納米纖維表面進行自組裝；完畢后進行清洗并烘干，得到氧化石墨烯/氧化聚丙烯腈納米纖維；

(6)將步驟(5)得到的氧化石墨烯/氧化聚丙烯腈納米纖維進行高溫碳化，得到石墨烯/碳納米纖維復合材料；

(7)稱取硒粉并配制硒溶液，使用溶劑熱法在步驟(6)得到的石墨烯/碳納米纖維復合材料表面生長硒化鎢納米片，得到硒化鎢/石墨烯/碳納米纖維復合材料。

本發(fā)明步驟(1)中所述的配制聚丙烯腈紡絲溶液的溶劑為N,N-二甲基甲酰胺，聚丙烯腈紡絲溶液的濃度為0.05～0.15g/mL；所述油浴的溫度為70～80℃。

本發(fā)明步驟(2)中，所述的靜電紡絲的工藝參數為：流速0.1～0.3mm/min，電壓為15～20kV，接收距離為7～20cm。

本發(fā)明步驟(3)中，所述的程序控溫其升溫速率為1～2℃/min，平臺溫度為250～300℃，保持1～4h，然后自然降溫。

本發(fā)明步驟(4)中，所述的氧化石墨由Hummers方法制備。

本發(fā)明步驟(4)中，所述的氧化石墨烯分散液的濃度為0.2～4mg/mL。