氮摻雜介孔碳修飾的二氧化錳纖維的制備方法
【專利說明】
所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種氮摻雜介孔碳修飾的二氧化錳纖維的制備方法，更具體地說是涉及有機(jī)-無機(jī)復(fù)合物的制備過程，即醋酸錳、醋酸的乙醇等溶液，在攪拌后加入到聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液中，進(jìn)一步加入乙二胺與四氯化碳的聚合物，獲得組成靜電紡絲的溶液，進(jìn)一步通過靜電紡絲設(shè)備獲得二氧化錳/高分子復(fù)合物纖維，并在高溫下碳化獲得氮摻雜介孔碳二氧化錳纖維。這種具有介孔結(jié)構(gòu)的二氧化錳纖維具有很好的電化學(xué)性能，可用于鋰離子電池的正極材料。
【背景技術(shù)】
[0002]超級(jí)電容器是一種既穩(wěn)定又環(huán)保的新型儲(chǔ)能元件，具有充電時(shí)間短、使用壽命長、功率密度高、安全系數(shù)高、節(jié)能環(huán)保、低溫特性好等優(yōu)點(diǎn)。超級(jí)電容器在現(xiàn)代科技、工業(yè)、航天事業(yè)方面的應(yīng)用都十分廣泛，它代表了高儲(chǔ)能技術(shù)的一次突破。
[0003]介孔碳材料具有有序孔道、大孔徑、高比表面積、大孔容及良好化學(xué)穩(wěn)定性，越來越引起人們的關(guān)注[1-5].傳統(tǒng)的制備方法，如硬模板法，由于介孔氧化硅模板孔壁厚度難以調(diào)節(jié)。
[0004]有文獻(xiàn)報(bào)道利用二氧化硅模板通過水熱法合成了具有高表面積的介孔二氧化錳，并通過金屬離子的摻雜進(jìn)一步改進(jìn)其性能；還有報(bào)道利用水熱還原氧化法合成了高度分散的具有納米纖維結(jié)構(gòu)的鉀礦型二氧化錳等。
[0005]本發(fā)明旨有效利用碳基材料高比表面積，制備的具有氮摻雜介孔碳修飾的二氧化錳納米纖維具有很好的電化學(xué)性能，可用于鋰離子電池的正極材料。介孔碳修飾Μη02顆粒所組成的納米纖維，將碳基材料高比表面積和Μη02的高贗電容有效結(jié)合起來，從而兼具兩者的特長，有利于制備新的大電容量的超級(jí)電容器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]將一定質(zhì)量比的醋酸錳、醋酸、聚乙烯吡咯烷酮和乙二胺與四氯化碳的聚合物在乙醇為溶劑下攪拌，獲得組成靜電紡絲的溶液，通過靜電紡絲設(shè)備獲得二氧化錳/高分子復(fù)合物纖維，并在高溫下碳化獲得氮摻雜介孔碳二氧化錳纖維。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
將醋酸錳、醋酸和乙醇按照一定的質(zhì)量配比混合，然后攪拌成均相溶液A ;將聚乙烯吡咯烷酮溶解在乙醇溶液中，再加入0.3克乙二胺與四氯化碳的聚合物組成均相溶液B，最后將兩種溶液A、B相互混合組成靜電紡絲溶液。將靜電紡絲溶液通過靜電紡絲設(shè)備在一定的直交流電壓和流速下紡絲，獲得二氧化錳/高分子復(fù)合物纖維，并在空氣中一定溫度下干燥，獲得的纖維進(jìn)一步在氮?dú)鈿夥障赂邷乇簾蓟Ｗ罱K獲得具有碳摻雜的介孔碳二氧化錳纖維。
[0008]本發(fā)明利用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)等表征手段分析了所制備的樣品。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明的一種氮摻雜介孔碳修飾的二氧化錳纖維，平均厚度為230 nm。納米纖維包含內(nèi)部相通的多晶相氧化錳和在氮摻雜碳中的大量的介孔結(jié)構(gòu)。在lmol.L 溶液中，掃描速率20mv/s下電容量為447.6 F/g,本纖維適用于超級(jí)電容器處理。操作方法簡單，成本低廉、可重復(fù)。
【附圖說明】
[0010]圖1由氮摻雜介孔碳修飾的Μη02納米纖維的掃描電鏡圖，可以看出氮摻雜介孔碳二氧化錳纖維的厚度在230nm左右。
[0011 ] 圖2是氮摻雜介孔碳修飾的Μη02納米纖維的大角XRD圖譜。。
[0012]圖3氮摻雜介孔碳修飾的Μη02納米纖維的氮?dú)馕絖脫附曲線(a)以及孔徑分布曲線圖(b)。介孔在5nm左右樣品具有介孔結(jié)構(gòu)。比表面積為120m2/g，
圖4氮摻雜介孔碳修飾的Μη02納米纖維的循環(huán)伏安性能圖，在lmol.L_lNa2S04溶液中，掃描速率20mv/s下電容量為447.6 F/g。
[0013]
【具體實(shí)施方式】
[0014]以下通過具體實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。
[0015]所述方法如無特別說明，均為常規(guī)方法。所述材料如無特別說明，均能從公開商業(yè)途徑購買得到。
[0016]實(shí)施例1
1.ο克醋酸錳和1.0克醋酸加入到5克乙醇溶液中，攪拌均勻后組成溶液A。將0.2克聚乙烯吡咯烷酮溶解在5克乙醇溶液中，然后再加入0.1克乙二胺與四氯化碳的聚合物，攪拌均勻后組成溶液B。將兩種溶液進(jìn)一步攪拌均勻后，組成靜電紡絲溶液。然后把準(zhǔn)備好的靜電紡絲溶液混合，輕輕攪拌30min，然后注入到不銹鋼制的具有18規(guī)金屬噴嘴的注射器中。把溶液在5kV的直交流電壓下以0.2mL/h的速率進(jìn)行靜電紡絲實(shí)驗(yàn)，從注射器的噴嘴頂部20cm處開始收集納米纖維到鋁箔上。得到的靜電紡絲納米纖維先在空氣中200°C下穩(wěn)定5h,然后再Ar氣氣氛下500°C進(jìn)行碳化處理。加熱和冷卻速率均為1°C/min。最后得到氮摻雜介孔碳的二氧化錳纖維。
[0017]實(shí)施例2
1.0克醋酸錳和1.5克醋酸加入到15克乙醇溶液中，攪拌均勻后組成溶液A。將0.35克聚乙烯吡咯烷酮溶解在10克乙醇溶液中，然后再加入0.2克乙二胺與四氯化碳的聚合物，攪拌均勻后組成溶液B。將兩種溶液進(jìn)一步攪拌均勻后，組成靜電紡絲溶液。然后把準(zhǔn)備好的靜電紡絲溶液混合，輕輕攪拌30min，然后注入到不銹鋼制的具有18規(guī)金屬噴嘴的注射器中。把溶液在15kV的直交流電壓下以0.35mL/h的速率進(jìn)行靜電紡絲實(shí)驗(yàn)，從注射器的噴嘴頂部20cm處開始收集納米纖維到鋁箔上。得到的靜電紡絲納米纖維先在空氣中250°C下穩(wěn)定5h，然后再Ar氣氣氛下600°C進(jìn)行碳化處理。加熱和冷卻速率均為1°C /min。最后得到氮摻雜介孔碳的二氧化錳纖維。
[0018]實(shí)施例3
1.0克醋酸錳和3.0克醋酸加入到25克乙醇溶液中，攪拌均勻后組成溶液A。將0.5克聚乙烯吡咯烷酮溶解在25克乙醇溶液中，然后再加入0.3克乙二胺與四氯化碳的聚合物，攪拌均勻后組成溶液B。將兩種溶液進(jìn)一步攪拌均勻后，組成靜電紡絲溶液。然后把準(zhǔn)備好的靜電紡絲溶液混合，輕輕攪拌30min，然后注入到不銹鋼制的具有18規(guī)金屬噴嘴的注射器中。把溶液在20 kV的直交流電壓下以0.5mL/h的速率進(jìn)行靜電紡絲實(shí)驗(yàn)，從注射器的噴嘴頂部20cm處開始收集納米纖維到鋁箔上。得到的靜電紡絲納米纖維先在空氣中300°C下穩(wěn)定5h，然后再Ar氣氣氛下800°C進(jìn)行碳化處理。加熱和冷卻速率均為1°C/min。最后得到氮摻雜介孔碳的二氧化錳纖維。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.本發(fā)明涉及一種通過靜電紡絲而成的具有氮摻雜介孔碳修飾的二氧化錳納米纖維的制備方法，其主要特征在于醋酸錳、醋酸的乙醇等溶液，在攪拌后加入到聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液中，進(jìn)一步加入乙二胺與四氯化碳的聚合物，獲得組成靜電紡絲的溶液，然后將靜電紡絲的溶液通過靜電紡絲設(shè)備獲得二氧化錳/高分子復(fù)合物纖維，并在空氣中干燥后，在氮?dú)鈿夥障赂邷囟忍蓟?，最后得到氮摻雜介孔碳修飾的二氧化錳纖維。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過靜電紡絲而成的具有氮摻雜介孔碳修飾的二氧化錳納米纖維的制備方法，其主要特征在于醋酸錳、醋酸、乙醇、聚乙烯吡咯烷酮以及乙二胺與四氯化碳的聚合物的質(zhì)量比范圍在1:1-3:10-50:0.2-0.5:0.1-0.3。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過靜電紡絲而成的具有氮摻雜介孔碳修飾的二氧化錳納米纖維的制備方法，其主要特征在于靜電紡絲的直流電壓5KV-20KV，流速0.2-0.5毫升/小時(shí)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過靜電紡絲而成的具有氮摻雜介孔碳修飾的二氧化錳納米纖維的制備方法，其主要特征在于紡絲后二氧化錳/高分子復(fù)合物纖維在空氣中的干燥溫度在200-300度之間。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過靜電紡絲而成的具有氮摻雜介孔碳修飾的二氧化錳納米纖維的制備方法，其主要特征在于紡絲后二氧化錳/高分子復(fù)合物纖維在氮?dú)庵械母邷靥蓟臏囟仍?00-800度之間。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種通過靜電紡絲而成的具有氮摻雜介孔碳修飾的二氧化錳納米纖維的制備方法，即通過靜電紡絲法獲得具有氮摻雜介孔碳修飾的氧化錳納米纖維，平均厚度為250nm。納米纖維包含內(nèi)部相通的多晶相氧化錳和在氮摻雜碳中的大量的介孔結(jié)構(gòu)。這種氮摻雜介孔碳修飾的氧化錳納米纖維可以用做超級(jí)電容器材料。
【IPC分類】D01D5/00, D01F9/10, H01G11/46
【公開號(hào)】CN105316798
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410381108
【發(fā)明人】谷濤
【申請(qǐng)人】無錫華臻新能源科技有限公司
【公開日】2016年2月10日
【申請(qǐng)日】2014年8月5日