[發(fā)明專利]一種氮摻雜的石墨烯纖維無紡布及其制備方法

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• 申請日: 2018-09-21
• 公開（公告）號: CN109355799A
• 公開（公告）日: 2019-02-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 高超;李拯
• 申請（專利權(quán)）人: 杭州高烯科技有限公司
• 主分類號: D04H1/4242
• 分類號: D04H1/4242;D01F9/12;D01F1/10
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 黃歡娣;邱啟旺

本發(fā)明公開了一種氮摻雜的石墨烯纖維無紡布及其制備方法，構(gòu)成石墨烯纖維的石墨烯片層含有一定數(shù)量的氮雜原子摻雜，并且可通過石墨烯纖維的自融合得到氮摻雜的石墨烯纖維無紡布，有利于提高石墨烯纖維及其無紡布結(jié)構(gòu)的親水性、導(dǎo)電性、及電化學(xué)活性，因此可用于水性電解質(zhì)體系儲能器件的高性能電極材料。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及石墨烯纖維及織物，尤其涉及一種氮原子摻雜的石墨烯纖維無紡布及其制備方法。

背景技術(shù)

石墨烯纖維無紡布是一種由石墨烯纖維在纖維搭接節(jié)點處相互融合的新型碳基織物(Nature Communications,2016,13684)，由于構(gòu)成無紡布的石墨烯纖維融合后的相互作用較強，并且顯著降低了纖維間的接觸電阻，因此這種無紡布材料具有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，柔性以及優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性能，是一種極有潛力的高性能電極材料，可用于超級電容器及電池等儲能器件領(lǐng)域，尤其在柔性電子器件中顯現(xiàn)出較大的應(yīng)用前景。

然而，當(dāng)石墨烯纖維無紡布用作電極材料時，為了保證較高的導(dǎo)電性與力學(xué)穩(wěn)定性，其組成單元石墨烯纖維的結(jié)構(gòu)較為致密，石墨烯片層的官能團較少，纖維骨架上缺少活性位點，因此與水性電解質(zhì)的親和力較差，無紡布電極的電化學(xué)活性也受到了一定程度的限制，制約了以石墨烯纖維無紡布為電極的電化學(xué)器件性能的提高。對碳材料進行氮原子的摻雜是提高其親水性及電化學(xué)活性的一種常用方法，目前氮摻雜的氧化石墨烯纖維無紡布的制備并未見諸報道。本發(fā)明提出的基于復(fù)合紡絲及熱處理的技術(shù)路線可有效實現(xiàn)對石墨烯纖維無紡布的氮摻雜，有利于改善其電化學(xué)活性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種氮原子摻雜的石墨烯纖維無紡布及其制備方法。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：一種氮摻雜的石墨烯纖維無紡布，由1-7mm的石墨烯纖維通過自融合相互搭接而成，所述石墨烯纖維由氮原子摻雜的石墨烯片堆積而成，氮原子以共價鍵的形式與石墨烯的碳原子連接；氮原子的摻雜通過含氮化合物與石墨烯通過熱處理實現(xiàn)。

一種氮摻雜的石墨烯纖維無紡布的制備方法，包括以下步驟：

(1)以含有含氮化合物的氧化石墨烯分散液為紡絲液進行連續(xù)濕法紡絲。

(2)將得到的氧化石墨烯/含氮化合物復(fù)合纖維在室溫放置12h以上，然后在不高于100℃的溫度下真空干燥3h。

(3)將干燥的復(fù)合纖維分散在乙醇溶液中，并使用高速剪切攪拌機將其攪碎成長度為1-7mm的短纖維，得到復(fù)合短纖維的分散液。

(4)在濾網(wǎng)上沉積氧化石墨烯/含氮化合物復(fù)合短纖維，并真空抽濾至干燥，得到復(fù)合纖維無紡布。

(3)對制得的復(fù)合纖維無紡布進行600-1000℃熱處理，得到氮摻雜的石墨烯纖維無紡布。

進一步地，紡絲液中加入的含氮化合物為聚乙烯吡咯烷酮、聚苯胺、三聚氰胺、尿素等可溶于水或N，N-二甲基甲酰胺溶劑的含氮化合物，含氮化合物的質(zhì)量分數(shù)為10％-50％。

進一步地，紡絲液為氧化石墨烯的水溶液或N，N-二甲基甲酰胺溶液。相對應(yīng)的，紡絲過程采用的凝固浴為氯化鈣/水/乙醇混合液或乙酸乙酯。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明利用氮摻雜的石墨烯短纖維構(gòu)成無紡布，作為結(jié)構(gòu)單元的石墨烯纖維經(jīng)過氮原子摻雜后可使無紡布獲得更好的親水性、導(dǎo)電性、以及更多的活性位點，有利于其在織物電極中的應(yīng)用。

(2)復(fù)合纖維中含氮化合物的脫除可為石墨烯纖維引入大量微孔和褶皺等微結(jié)構(gòu)。相比于常規(guī)的氮摻雜石墨烯膜，無紡布具有多孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且網(wǎng)絡(luò)骨架本身具有較多的微結(jié)構(gòu)，這種顯著提升的比表面積和多級尺度的微結(jié)構(gòu)能夠大大提高電極材料的電化學(xué)性能。