[發(fā)明專利]氮摻雜的窄中孔分布的碳納米纖維及其制備方法

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• 申請日: 2021-03-03
• 公開（公告）號: CN112899821A
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 白宇;滕克軍;趙東輝;周鵬偉
• 申請（專利權(quán)）人: 深圳市翔豐華科技股份有限公司;福建翔豐華新能源材料有限公司
• 主分類號: D01F9/10
• 分類號: D01F9/10;D01F1/10;D01D5/00
• 代理公司: 廈門市新華專利商標代理有限公司 35203
• 代理人: 吳成開;徐勛夫

本發(fā)明公開一種氮摻雜的窄中孔分布的碳納米纖維及其制備方法，該方法以熱固性酚醛樹脂為靜電紡絲前驅(qū)體，添加含過渡金屬元素的催化劑，并在碳化過程中引入氨氣活化處理，得到氮摻雜的窄中孔分布的碳納米纖維。藉此，通過在纖維碳化過程中以引入氨氣活化處理，一步實現(xiàn)對碳納米纖維的氮摻雜，同時也對纖維的中孔分布起到調(diào)控作用。本發(fā)明制備方法合理簡便，可大規(guī)模制備，同時制得的碳納米纖維具有窄的中孔分布和豐富的含氮基團，能更利于對目標分子/離子的分離、儲存和催化等應用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及碳纖維材料領(lǐng)域技術(shù)，尤其是指一種氮摻雜的窄中孔分布的碳納米纖維及其制備方法。

背景技術(shù)

石墨質(zhì)多孔碳材料具有高度石墨化、化學熱學穩(wěn)定性好、疏水性強和導電性能佳等優(yōu)點，是一類優(yōu)異的吸附材料、催化載體材料和能源存儲材料。此類材料的孔結(jié)構(gòu)分布是影響其在實際應用中性能發(fā)揮的重要因素。目前，石墨質(zhì)多孔碳材料孔徑分布比較寬，涵蓋微孔到大孔的范圍，不利于針對目標離子/分子發(fā)揮最佳作用，孔結(jié)構(gòu)利用率低。

石墨質(zhì)多孔碳材料的表面化學性質(zhì)也是影響其性能發(fā)揮的另一重要因素。通常，氮摻雜是一種有效改善石墨質(zhì)多孔碳材料表面化學性質(zhì)的有效方式，可為石墨質(zhì)多孔碳材料帶來更多的反應活性位點，實現(xiàn)更強的電化學性能。但是石墨質(zhì)多孔碳材料的氮摻雜往往工序較復雜，耗時且成本很高。目前，如何簡單有效地調(diào)控石墨質(zhì)多孔碳材料的孔結(jié)構(gòu)和表面化學狀態(tài)仍然是一難題。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在之缺失，其主要目的是提供一種氮摻雜的窄中孔分布的碳納米纖維及其制備方法，其能簡單有效地調(diào)控石墨質(zhì)多孔碳材料的孔結(jié)構(gòu)和表面化學狀態(tài)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下之技術(shù)方案：

一種氮摻雜的窄中孔分布的碳納米纖維的制備方法，以熱固性酚醛樹脂為靜電紡絲前驅(qū)體，添加含過渡金屬元素的催化劑，并在碳化過程中引入氨氣活化處理，得到氮摻雜的窄中孔分布的碳納米纖維。

作為一種優(yōu)選方案，包括有以下步驟：

（1）前驅(qū)體溶液的制備：以質(zhì)量比1：0.010～0.050：0.020～0.200分別將熱固性酚醛樹脂、高分子量線性聚合物和含過渡金屬元素的催化劑溶解于有機溶劑中，攪拌形成均勻的溶液；其中，熱固性酚醛樹脂在有機溶劑中的含量為20～40 wt.%；

（2）靜電紡絲：通過靜電紡絲裝置將得到的前驅(qū)體溶液電紡成復合纖維；電壓為20～30 kV，接收距離為20～30 cm，進給速度為0.5～2 mL/h；

（3）干燥和固化：將所得復合纖維于空氣氣氛中逐漸加熱到180℃并保持1～3小時；

（4）碳化和氨氣活化處理：把固化后的復合纖維進行熱處理，在惰性氣體氣氛下升溫至800～1000℃，引入氨氣氣氛并保溫1-3小時，隨后得到氮摻雜的窄中孔分布的碳納米纖維。

作為一種優(yōu)選方案，所述熱固性酚醛樹脂的分子量M_w的范圍為600＜M_w＜4000。

作為一種優(yōu)選方案，所述高分子量線性聚合物為聚乙烯醇縮丁醛、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯腈中的一種或幾種。

作為一種優(yōu)選方案，所述含過渡金屬元素的催化劑為乙酰丙酮鐵、乙酰丙酮鎳、乙酰丙酮鈷、氯化鐵、氯化銅、氯化鎳、氯化鈷、鐵氰化鉀中的一種或幾種。

作為一種優(yōu)選方案，所述有機溶劑為乙醇、甲醇、丙酮、正丙醇、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺中的一種或幾種。

作為一種優(yōu)選方案，所述惰性氣氛為氮氣、氬氣和氦氣中的一種或多種。

一種氮摻雜的窄中孔分布的碳納米纖維，采用前述氮摻雜的窄中孔分布的碳納米纖維的制備方法制得，其表面氮含量大于0.5 at.%，中孔分布窄，主要集中在孔寬為3-10nm的中孔，孔寬為3-10 nm的孔容大于0.10 cm³/g。