[發明專利]一種大塊碳納米纖維氣凝膠及其制備方法

在審

• 申請號: 201910519121.X
• 申請日: 2019-06-14
• 公開（公告）號: CN110117000A
• 公開（公告）日: 2019-08-13
• 發明（設計）人: 俞書宏;李超
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: C01B32/15
• 分類號: C01B32/15;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 李新紅

本發明提供了一種碳納米纖維氣凝膠及其制備方法，所述碳納米纖維氣凝膠呈長為8～450mm、寬為8～450mm且厚為8～40mm的片狀。所述制備方法包括如下步驟：S1)將細菌纖維素浸泡于含有無機銨鹽的水溶液中，形成無機銨鹽浸漬的細菌纖維素水凝膠；S2)將所述無機銨鹽浸漬的細菌纖維素水凝膠置于?20～?60℃中凍結，然后進行冷凍干燥，得到細菌纖維素氣凝膠；S3)將所述細菌纖維素氣凝膠在600℃～1400℃熱解后得到碳納米纖維氣凝膠。所述制備方法的碳納米纖維氣凝膠產率高于10％。

技術領域

本發明屬于納米材料技術領域，尤其涉及一種大塊碳納米纖維氣凝膠及其制備方法，所述制備方法的碳納米纖維氣凝膠產率高于10％。

背景技術

碳氣凝膠具有引人注目的獨特性能，包括低表觀密度、大比表面積、豐富的孔隙結構、高電導率、良好的機械性能、穩定的化學性質和環境相容性。碳氣凝膠在環境保護、電化學能量存儲和轉化、聚合物科學和先進傳感器領域具有極大的應用潛力。

目前常見的碳氣凝膠的制備方法中，或使用有毒的前驅物作為原料(如間苯二酚和甲醛)、或要求復雜的設備和技術(如CVD方法)，或要求昂貴的組裝基元(如CNT和石墨烯)，這些局限性表明碳氣凝膠的制備方法還有進一步發展空間。最近許多研究者開始從生物質制備高性能的三維納米碳氣凝膠。細菌纖維素作為一種典型的生物質材料，可以通過微生物發酵的方法進行工業生產，具有便宜、來源廣、對環境友好、可大規模制備等優勢，是一種用于制造功能性三維碳氣凝膠的理想原料。

細菌纖維素熱解后，纖維素納米纖維轉化為碳納米纖維，形成具有三維交聯網絡結構的碳氣凝膠。但是，目前使用細菌纖維素來制備碳納米纖維氣凝膠，熱解過程中細菌纖維素分解為揮發性的小分子物質，使得獲得的碳納米纖維氣凝膠產率很低，通常是低于10％，且體積收縮嚴重，不僅提高了制備碳氣凝膠的成本，也是對資源的嚴重浪費，限制了細菌纖維素衍生碳納米纖維氣凝膠的廣泛應用，因此很有必要尋找提升碳產率的方法。

另外，目前現有技術中所獲得的碳納米纖維氣凝膠通常都是粉狀或小塊狀的，因此期待獲得一種大塊狀比如長寬在50mm以上，厚在8mm以上的碳納米纖維氣凝膠以改善現有技術中的碳納米纖維氣凝膠的機械性能和可加工性能，從而可以用于大面積電極材料、連續聚合物填充材料、大體積力學傳感器等領域。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種大塊狀碳納米纖維氣凝膠及其制備方法。本發明制備方法的碳納米纖維氣凝膠產率高于10％。

本發明提供了一種碳納米纖維氣凝膠，所述碳納米纖維氣凝膠中的纖維包含50～97wt％的碳、0.3～5wt％的氫、1～40wt％的氧、0.3～5wt％的氮、0.3～5wt％的磷，其中，所述碳納米纖維氣凝膠呈長為8～450mm、寬為8～450mm且厚為8～40mm的片狀，由直徑10-100nm的碳納米纖維構成，纖維之間具有交聯節點，并且節點固定，形成不可轉動或滑動的三維交聯網絡結構，纖維表面呈無定形碳結構；所述碳納米纖維氣凝膠密度為3～25mg cm^-3，電導率為0.001-10S cm^-1，比表面積為300～900m²g^-1。

另外，本發明提供了一種高產率的碳納米纖維氣凝膠的制備方法，包括：

S1)將細菌纖維素浸泡于含有無機銨鹽的水溶液中，形成無機銨鹽浸漬的細菌纖維素水凝膠；

S2)將所述無機銨鹽浸漬的細菌纖維素水凝膠置于-20～-60℃中凍結，然后進行冷凍干燥，得到細菌纖維素氣凝膠；

S3)將所述細菌纖維素氣凝膠在600℃～1400℃熱解后得到碳納米纖維氣凝膠。

優選地，所述含有無機銨鹽的溶液為磷酸二氫銨水溶液。