專利名稱：一種具有分層次孔結(jié)構(gòu)的活性炭纖維膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有分層次孔結(jié)構(gòu)的活性炭纖維膜的制備方法，屬于新型炭素材料制備及其應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著石油等資源的耗竭及其所帶來的環(huán)境污染問題，諸如燃料電池、鋰電、超級電容器的發(fā)展受到日益重視，由此推動了多孔炭材料的深入研究。活性炭材料由于比表面積高、電化學(xué)穩(wěn)定、表面惰性不易反應(yīng)等特點，一直是電極材料的首選材料。然而傳統(tǒng)的高比表面積活性炭由于富含大量的微孔，電解質(zhì)離子不能有效的進(jìn)入，因此不能在其空隙表面形成有效的雙電層儲能。為了獲得更好的電容特性，所需要的炭電極材料的孔結(jié)構(gòu)中，不僅僅需要微孔，還需要一定比例的中孔與大孔。微孔提供了大量電解質(zhì)離子所需要的吸附位， 而中孔與大孔減小了電解質(zhì)在多孔炭電極材料孔道中的遷移與擴(kuò)散阻力。因此，對于能源領(lǐng)域的炭電極材料來說，更多的研究集中制備具有大孔/微孔、中孔/微孔或大孔/中孔/ 微孔等具有層次孔結(jié)構(gòu)的新型炭材料上。相比較傳統(tǒng)的粉體炭材料，整體式多孔炭材料具有更強的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在在制備炭電極時，不用添加任何粘結(jié)劑，避免了因粘結(jié)劑引起的孔道堵塞及其導(dǎo)電能力的損失而致使電化學(xué)性能的下降問題。同時，具有連續(xù)骨架結(jié)構(gòu)的整體式炭材料由于不需要粘結(jié)齊U，所有的孔道保持可進(jìn)入狀態(tài)，因而極大的減小了炭材料本身的電阻。因此具有適當(dāng)孔徑分布，并具有整體性的炭材料才可能具有較大的儲能電極應(yīng)用前景。目前，制備中孔炭材料的方法主要有催化活化法、共聚混合物炭化法、有機(jī)凝膠炭化和模版法。采用前3種方法制備的中孔炭材料孔徑分布不均勻且尺寸難以控制，而模版法必須先制備硅或高分子模版，工藝冗長，很難實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。因此說，本發(fā)明基于靜電紡絲工藝制備具有層次孔結(jié)構(gòu)的整體式炭材料，是區(qū)別于傳統(tǒng)炭材料制備方法的一種有益的技術(shù)嘗試。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種具有分層次孔結(jié)構(gòu)的活性炭纖維膜的制備方法。該方法利用靜電紡絲技術(shù)，將聚丙烯腈與中孔粉體炭電紡成膜，然后經(jīng)預(yù)氧化、炭化-活化處理制備得到炭纖維，該技術(shù)制備的炭纖維電極材料具有層次的孔徑分布、整體性好、纖維直徑細(xì)等特點。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種具有分層次孔結(jié)構(gòu)的活性炭纖維膜的制備方法采用的步驟如下以聚丙烯腈為碳源，將聚丙烯腈溶于N，N-二甲基甲酰胺中配制成濃度為 8 11%的有機(jī)溶液，再添加與聚丙烯腈質(zhì)量比例為0 5%的粉體炭材料，經(jīng)過一定時間的超聲處理使其均勻分散于聚丙烯腈的有機(jī)溶液中；然后在15 25ky的紡絲電壓，15 20cm接受距離下，在轉(zhuǎn)速為100 500轉(zhuǎn)/min的旋鼓上接收電紡成的聚丙烯腈復(fù)合膜；將具有一定厚度的復(fù)合聚丙烯腈膜置于炭化爐中，空氣氣氛條件下，以恒定的升溫速率升溫至穩(wěn)定化溫度230 300°C，并保溫2 10小時，然后升溫至所需活化溫度700 1000°C， 通入活化劑活化0. 5 2小時，最終的產(chǎn)物即為具有分層次孔結(jié)構(gòu)的炭纖維膜。所述添加的粉體炭材料為高介孔炭黑、碳納米管。所述活化劑為水蒸氣、二氧化碳中的一種或者二種。上述技術(shù)方案的指導(dǎo)思想是聚丙烯腈是一種重要的炭纖維前驅(qū)體，而靜電紡絲法是制備聚丙烯腈炭纖維膜的一種有效方法。通過將聚丙烯腈與中孔炭黑的共混靜電紡絲法，實現(xiàn)了中孔粉體炭材料的固定化分布，并有效調(diào)控了單純聚丙烯腈纖維在炭化活化過程中的孔徑調(diào)控。由于在活化過程中，二者收縮率的不同，擴(kuò)大了纖維的孔體積；另外由于混合溶液在高壓靜電的拉伸作用下，實現(xiàn)了炭黑隨著纖維徑向的均勻分布并使得炭纖維導(dǎo)電性能得到提升。本發(fā)明的有益效果是該方法基于靜電紡絲技術(shù)，通過將介孔炭黑植入聚丙烯腈膜中，經(jīng)預(yù)氧化、炭化-活化處理，所制備的炭纖維材料具有宏觀整體性、中孔率高、導(dǎo)電性好等特點。比表面積在500 1000m2/g，分層次孔結(jié)構(gòu)包括微孔(0 2nm)、中孔O 50nm) 以及大孔(50 200nm)，其中中孔占40%以上。采用該方法制備的新型炭纖維可廣泛用于吸附、分離、電極材料以及環(huán)境污染物的修復(fù)等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1具有層次孔結(jié)構(gòu)的活性炭纖維膜材料數(shù)碼照片。圖2具有層次孔結(jié)構(gòu)的活性炭纖維膜材料電鏡掃描照片。圖3活性炭纖維膜的氮氣吸附脫附曲線。圖4活性炭纖維膜的孔徑分布曲線。
具體實施例方式下面通過實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明實施例1將6g分子量為150000的聚丙烯腈粉末溶于Mg N，N-二甲基甲酰胺中，在80°C水浴中恒溫攪拌他；然后將0. 3g炭黑加入到聚丙烯腈溶液中，并超聲6h，使其均勻分散；將得到的混合溶液置于針筒中，在直流高壓為22kV，接受距離為15cm的條件下電紡成膜。然后將膜置于管式爐中，以1°C /min的升溫速率升至280°C，空氣氣氛下穩(wěn)定池；再在惰性氣氛下升溫至活化溫度900°C，通入二氧化碳，流量為150ml/min，活化30min。反應(yīng)結(jié)束后，降溫至常溫，得到的固體膜狀產(chǎn)物即為本方法制備的產(chǎn)物。其形貌如圖1、圖2所示，氮氣吸附脫附等溫線及其孔徑分布如圖3、圖4所示。比表面積及其孔徑分布見下表。
權(quán)利要求
1.一種具有分層次孔結(jié)構(gòu)的活性炭纖維膜的制備方法，其特征是采用的步驟如下 以聚丙烯腈為碳源，將聚丙烯腈溶于N，N-二甲基甲酰胺中配制成濃度為8 11%的有機(jī)溶液，再添加與聚丙烯腈質(zhì)量比例為0 5%的粉體炭材料，經(jīng)過一定時間的超聲處理使其均勻分散于聚丙烯腈的有機(jī)溶液中；然后在15 25kv的紡絲電壓，15 20cm接受距離下，在轉(zhuǎn)速為100 500轉(zhuǎn)/min的旋鼓上接收電紡成的聚丙烯腈復(fù)合膜；將具有一定厚度的復(fù)合聚丙烯腈膜置于炭化爐中，空氣氣氛條件下，以恒定的升溫速率升溫至穩(wěn)定化溫度 230 300°C，并保溫2 10小時，然后升溫至所需活化溫度700 1000°C，通入活化劑活化0. 5 2小時，最終的產(chǎn)物即為具有分層次孔結(jié)構(gòu)的炭纖維膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有分層次孔結(jié)構(gòu)的活性炭纖維膜的制備方法，其特征是所述添加的粉體炭材料為高介孔炭黑、碳納米管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有分層次孔結(jié)構(gòu)的活性炭纖維膜的制備方法，其特征是所述活化劑為水蒸氣、二氧化碳中的一種或者二種。
全文摘要
一種具有分層次孔結(jié)構(gòu)的活性炭纖維膜的制備方法，屬于新型炭素材料制備及其應(yīng)用領(lǐng)域。該方法基于靜電紡絲技術(shù)，將一種高中孔含量的炭材料均勻分散于聚丙烯腈的有機(jī)溶液中，電紡成膜；然后經(jīng)預(yù)氧化、炭化、活化處理步驟，制備得到的炭纖維膜；該材料具有整體性好、纖維直徑細(xì)、導(dǎo)電能力強等特點，且含有分層次的微孔-中孔-大孔孔徑分布。本發(fā)明實現(xiàn)了層次炭纖維的靜電紡絲技術(shù)合成路線，與硬模板路線合成多孔炭相比，具有操作簡單，成本低等特點。采用該方法制備的新型炭纖維膜可廣泛用于吸附、分離、電極材料以及環(huán)境污染物的修復(fù)等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號D01D1/02GK102505403SQ201110302429
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月29日
發(fā)明者潘超, 王剛, 董強, 邱介山 申請人:大連理工大學(xué)