[发明专利]一种金属微纤-纳米碳复合材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料技术领域，特别是一种具有开放孔结构的大表面积整体 式烧结金属微纤—纳米碳复合材料及制备方法。

背景技术

纳米碳作为新一代的碳基材料，由于其微结构和表面物化性质的多变性 和可控性，在多相催化、电催化、电极材料等方面具有巨大的应用前景。新 的能源转化和存储技术如燃料电池、二次电池和超级电容器等对高性能碳电 极/电催化材料的期盼，激起了人们对纳米碳(特别是碳纳米管)的研究热潮。 上世纪90年代以来，人们对纳米碳管的结构可控合成、微区和表面性质调控、 生长机理以及应用展开了广泛而深入的研究，使得对纳米碳管微结构-表面物 化性质-应用性能的关系有了非常深刻的认识，这为纳米碳管的应用奠定了坚 实的理论和技术基础。

然而，其实际应用中却遇到与活性炭粉体材料相同的成型问题。比如， 超级电容或电容脱离子净化水技术等的应用对电极材料的要求是：良好导电 性；较大的有效比表面积；强化传质的开放孔结构；良好的化学和电化学稳 定性；易成形。采用纳米碳纤维制作的电极，一般需要高分子胶粘剂，而高 分子胶粘剂不仅会牺牲电极材料的比表面积，还导致很高的电流传导和质量 传递阻力(受高分子胶粘剂的阻隔，纳米碳纤维之间的接触不是紧密连续的， 造成很高的电阻)；同时，电极厚度的增加和堆积床大的电位差。炭气凝胶是 一种轻质、多孔、纳米级非晶碳材料，具有较大的比表面积和良好的导电性， 但这种材料价格贵，大面积整体结构电极制备难度大(Advanced Materials， 20(2008)815)。活性炭纤维(直径10～13毫米)布，由于可以根据需要 制成纸、布、毡的形态和易于折叠成型，而引起了人们的注意；但其丰富的 微孔，易导致空间发生“重叠效应”而不利于双电层的形成。

有文献报道(Appl.Phys.Lett.89(2006)053127/1-053127/3)在镍箔 上采用化学气相沉积技术生长纳米管碳并用于电容脱盐，单位重量的吸附容 量与炭气凝胶相同，单位体积的吸附容量是后者的100倍和数百倍；但该材 料的一维平面结构不利于径向传质等。Bordjiba等(Chem.Phys.Lett.441 (2007)88-93)报道了一种多壁碳纳米管修饰的炭纸材料，但碳纳米管 (CNTs)载持量有限，且碳纳米管(CNTs)与炭纸间并未实现“融合”接触 而造成高的阻抗。Renken等(Surf.Coatings Technol.202(2008) 3029-3042)在镀有La₂NiO₄膜的304不锈钢纱网(网线直径200微米)上 进行甲烷裂解制备了键合在纱网上的碳纤维/碳球。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种具有开放孔结构的大 表面积整体式烧结金属微纤—纳米碳复合材料，它无需粘结剂，具有三维开 放的孔结构、良好导电、导热性。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种金属微纤-纳米碳复合材料，该材料是以整体式烧结金属微纤为基 体，向该基体表面沉积碳而得；其中：所得材料含碳为1～65％，含金属微纤 为35～99％，碳为纳米级；所述含量为重量百分含量。

所述金属微纤是镍、钴、铁或含铁的金属合金微纤。

所述碳源是烷烃、烯烃、炔烃、低碳醇或一氧化碳。

一种上述复合材料的制备方法，取整体式烧结金属微纤置于反应器中， 室温下高纯氮吹扫，于氮气中升温至700℃，切换成碳源与氢气混和，其中 碳源流量：气体50～100毫升/分钟、液体0.1～0.15毫升/分钟，氢气流速 300毫升/分钟；在700℃下，碳源在整体式烧结金属微纤表面沉积碳；通入 碳源与氢气的时间控制在2～60分钟，之后切换成高纯氮气充分吹扫，并在 氮气氛中降至室温，制得纳米碳-金属微纤复合材料。

本发明具有以下优点：

(1)无需粘结剂、具有三维开放的孔结构，使得纳米碳表面高度可接近 且其表面特性得以保留。

(2)可以大面积制备，并可直接应用和后改性。

(3)良好的导电/导热性能，使得这种材料在电化学、催化等领域具有 广阔应用前景。

(4)易于制造、制造费用小。

附图说明

图1为整体式烧结Ni金属微纤基体的光学图

图2为整体式烧结Ni金属微纤基体的SEM图