一步法制備納米活性碳纖維的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一步法制備納米活性碳纖維的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，電化學(xué)電容器在混合電動(dòng)車、電動(dòng)車和后備電源等領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景，倍受人們的關(guān)注。已經(jīng)商品化的、用于電化學(xué)電容器的碳基電極材料主要為活性炭和活性碳纖維?；钚蕴祭w維材料具有質(zhì)量比容量高，導(dǎo)電性好，優(yōu)異的強(qiáng)度和循環(huán)性能好等優(yōu)點(diǎn)，受到青睞。然而，活性碳納米纖維材料的制備方法主要有物理活化與化學(xué)活化法。首先以聚丙烯腈、黏膠等為前軀體制備碳纖維，再進(jìn)一步活化。物理活化法通常使用二氧化碳、水蒸氣、超臨界水等氧化性氣體為活化劑；化學(xué)活化法常用的活化劑主要為氫氧化鉀、氯化鋅、磷酸等。氫氧化鉀是常用的活化劑，所得活性碳纖維性能優(yōu)良，然而以氫氧化鉀水溶液直接浸泡纖維素加熱直接碳化活化纖維素，在加熱的過程中會(huì)造成纖維素大量水解，產(chǎn)率低，性能差。化學(xué)活化法制備工藝繁瑣、成本高，從而其較高的成本限制了其在電化學(xué)電容器中的應(yīng)用。因此，簡(jiǎn)化制備工藝、使用廉價(jià)原料來降低成本具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有納米活性碳纖維制備工藝繁瑣、成本高的問題，提供一步法制備納米活性碳纖維的方法。
[0004]本發(fā)明一步法制備納米活性碳纖維的方法，按如下步驟進(jìn)行:
[0005]—、將細(xì)菌纖維素浸泡在去離子水中超聲洗滌，然后用液氮冷凍后進(jìn)行冷凍干燥15?30h，獲得備用細(xì)菌纖維素；
[0006]二、將備用細(xì)菌纖維素浸泡在氫氧化鉀乙醇溶液中，吸收至飽和，獲得氫氧化鉀/細(xì)菌纖維素前驅(qū)體；
[0007]三、將氫氧化鉀/細(xì)菌纖維素前驅(qū)體置于管式爐中進(jìn)行高溫?zé)峤?，即得納米活性碳纖維。
[0008]本發(fā)明利用氫氧化鉀/細(xì)菌纖維素作為前驅(qū)體，一步制備納米活性碳纖維，減少了工藝步驟，方法簡(jiǎn)單，可規(guī)?；a(chǎn)，原料廉價(jià)易得；選用乙醇溶劑代替水溶劑避免了纖維素的水解，同時(shí)又不破壞細(xì)菌纖維素微觀結(jié)構(gòu)；將所得活性碳纖維用做超級(jí)電容器的電極材料，具有很好的電容特性；
【附圖說明】
[0009]圖1為實(shí)施例1所獲得的納米活性碳納米纖維的掃描電鏡照片；
[0010]圖2為實(shí)施例1所獲得的以納米活性碳纖維制備的工作電極在6M氫氧化鉀電解液中的不同掃描速度下的循環(huán)伏安曲線；其中a為20mV/s，b為50mV/s，c為100mV/s ；
[0011]圖3為實(shí)施例1所獲得的以納米活性碳纖維制備的工作電極在6M氫氧化鉀電解液中的恒電流充放電曲線；其中a為0.5A/g，b為ΙΑ/g，c為2A/g，d為3A/g，e為5A/g ；
[0012]圖4為實(shí)施例2所獲得的以納米活性碳纖維制備的工作電極在6M氫氧化鉀電解液中的不同掃描速度下的循環(huán)伏安曲線；其中a為20mV/s，b為50mV/s，c為100mV/s ；
[0013]圖5為實(shí)施例2所獲得的以納米活性碳纖維制備的工作電極在6M氫氧化鉀電解液中的恒電流充放電曲線；其中a為0.5A/g，b為ΙΑ/g，c為2A/g，d為3A/g，e為4A/g，f為 5A/g ；
[0014]圖6為實(shí)施例3所獲得的以納米活性碳纖維制備的工作電極在6M氫氧化鉀電解液中的不同掃描速度下的循環(huán)伏安曲線；其中a為10mV/s，b為20mV/s，c為50mV/s，d為100mV/s ；
[0015]圖7為實(shí)施例3所獲得的以納米活性碳纖維制備的工作電極在6M氫氧化鉀電解液中的恒電流充放電曲線；其中a為0.5A/g，b為ΙΑ/g，c為2A/g，d為3A/g，e為4A/g，f為 5A/g ；
[0016]圖8為實(shí)施例1?3所獲得的以納米活性碳纖維制備的工作電極在6M氫氧化鉀電解液中依據(jù)恒電流充放電曲線計(jì)算所得的比電容曲線，其中a為ACF-1，b為ACF-2，c為ACF-3。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉的【具體實(shí)施方式】，還包括各【具體實(shí)施方式】之間的任意組合。
[0018]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式一步法制備納米活性碳纖維的方法，按如下步驟進(jìn)行:
[0019]—、將細(xì)菌纖維素浸泡在去離子水中超聲洗滌，然后用液氮冷凍后進(jìn)行冷凍干燥15?30h，獲得備用細(xì)菌纖維素；
[0020]二、將備用細(xì)菌纖維素浸泡在氫氧化鉀乙醇溶液中，吸收至飽和，獲得氫氧化鉀/細(xì)菌纖維素前驅(qū)體；
[0021]三、將氫氧化鉀/細(xì)菌纖維素前驅(qū)體置于管式爐中進(jìn)行高溫?zé)峤猓吹眉{米活性碳纖維。
[0022]本實(shí)施方式利用氫氧化鉀/細(xì)菌纖維素作為前驅(qū)體，一步制備納米活性碳纖維，減少了工藝步驟，方法簡(jiǎn)單，可規(guī)?；a(chǎn)，原料廉價(jià)易得；選用乙醇溶劑代替水溶劑避免了纖維素的水解，同時(shí)又不破壞細(xì)菌纖維素微觀結(jié)構(gòu)；將所得活性碳纖維用做超級(jí)電容器的電極材料，具有很好的電容特性；
[0023]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:細(xì)菌纖維素為細(xì)菌纖維素邊角料。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0024]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是:步驟一所述的超聲洗滌的條件為超聲時(shí)間10h，且每一小時(shí)更換去離子水。其它與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0025]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是:步驟一所述的冷凍干燥是采用冷凍干燥機(jī)進(jìn)行干燥，干燥時(shí)間為24h。其它與【具體實(shí)施方式】一至三之一相同。
[0026]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至四之一不同的是:步驟二所述的氫氧化鉀溶液是根據(jù)堿碳比1: (30?100)的比例進(jìn)行配制的。其它與【具體實(shí)施方式】一至四之一相同。
[0027]本實(shí)施方法中的堿碳比是指氫氧化鉀與備用細(xì)菌纖維素的質(zhì)量比值。
[0028]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至五之一不同的是:步驟二所述的氫氧化鉀溶液是根據(jù)堿碳比1:50的比例進(jìn)行配制的。其它與【具體實(shí)施方式】一至五之一相同。
[0029]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至六之一不同的是:步驟二所述的氫氧化鉀溶液是根據(jù)堿碳比1:60的比例進(jìn)行配制的。其它與【具體實(shí)施方式】一至六之一相同。
[0030]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至七之一不同的是:步驟二所述的氫氧化鉀溶液是根據(jù)堿碳比1:70的比例進(jìn)行配制的。其它與【具體實(shí)施方式】一至七之一相同。
[0031]【具體實(shí)施方式】九:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至八之一不同的是:步驟三中所述的高溫?zé)峤獾姆椒?將所述氫氧化鉀/細(xì)菌纖維素前驅(qū)體置于瓷舟中，然后放入管式爐；向管式爐中通入氬氣或氮?dú)??8h，并將氬氣或氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣；將管式爐設(shè)定為500C，保持30min，然后以2?4°C /min的速率升溫至270°C，再以0.3?0.5°C /min的速率升溫至390°C，然后以2?4°C /min的速率升溫至700°C?1100°C，保持2?4h，再以3?50C /min的速率降溫至400°C，最后再自然冷卻至室溫，即完成。其它與【具體實(shí)施方式】一至八之一相同。
[0032]【具體實(shí)施方式】十:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至九之一不同的是:步驟三中所述的高溫?zé)峤獾姆椒?將所述氫氧化鉀/細(xì)菌纖維素前驅(qū)體置于瓷舟中，然后放入管式爐；向管式爐中通入氬氣或氮?dú)?h，并將氬氣或氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣，將管式爐設(shè)定為50°C，保持30min，然后以4°C /min的速率升溫至270°C，再以0.3°C /min的速率升溫至390°C，然后以4°C /min的速率升溫至900°C，保持2h，再以5°C /min的速率降溫至400°C，最后再自然冷卻至室溫，即完成。其它與【具體實(shí)施方式】一至九之一相同。
[0033]通過以下實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果:
[0034]實(shí)施例1、本實(shí)施例一步法制備納米活性碳纖維的方法是按如下步驟進(jìn)行:
[0035]—、將細(xì)菌纖維素浸泡在去離子水中超聲洗滌10h，且每一小時(shí)更換去離子水，液氮冷凍后轉(zhuǎn)移到冷凍干燥機(jī)干燥20h，獲得備用細(xì)菌纖維素；
[0036]二、按堿碳比1:40