[发明专利]一种介孔碳纳米纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及多孔材料的制备，特别涉及一种介孔碳纳米纤维的制备方法。

背景技术

介孔碳是最近发现的一类新型的非硅基介孔材料，由于它具有巨大的表面积和孔体积，非常有望在催化剂载体、电极材料、储氢材料等方面得到重要的应用，因此受到高度重视（J.Mater.Chem.,2004,14,478）。介孔碳材料因其规整的孔道结构和较大的孔容量以及良好的导电性能被广泛用于电池的电极材料和双电层电容器。具有介孔结构的多孔碳有着相对短的扩散路径能够方便客体分子的传输，因此这种碳材料对提高反应效率、解决扩散阻力太大而引起的传质问题有明显的功效。介孔碳具有较好的孔径分布，平均孔径大于2nm，对于孔道排列规则有序的介孔碳，电解质离子可以在孔隙中做自由的迁移运动，能够快速的形成双电层，因此具有较强的充、放电能力，并显示出优异的双电层电容性能。介孔碳因其比表面积大、孔径分布适中、导电性良好等特点成为双电层电容器的理想电极材料。介孔碳材料的常用制备方法包括:化学活化法（Micropor.Mater.,1995,3,603）、催化活化法(Carbon,2012,50,2824)、溶胶凝胶法(Langmuir,1996,12,6167)、介孔硅模板法(Applied Energy,2012,100,66)以及表面活性剂模板法(Chem.Soc.Rev.,2011,40,3854)等。碳纳米纤维的连续性及其特有的堆积孔结构，不仅有利于双电层电容器中电解质的扩散和电荷的储存（Carbon,2013,290）；而且碳纳米纤维这种特殊的结构也有利于催化剂粒子更好地分散在纤维上，从而形成良好的连续导电结构使催化剂在电催化氧化时拥有较小的电荷传递电阻，更加有利于催化剂性能的提高（J Power Sources,2011,7973）。因此，制备一种结合了介孔碳和碳纳米纤维各自优势和特点的新型碳材料对于双电层电容器和催化剂载体具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种介孔碳纳米纤维的制备方法，该方法制备得到的介孔碳纳米纤维具有比表面积大、孔径分布适中、导电性能良好等特点。

本发明提供的一种介孔碳纳米纤维的制备方法，包括如下步骤：

1）静电纺丝法制备复合纤维

向浓度为50～150mg/mL SnCl₄·5H₂O的水溶液中滴加浓氨水，使之完全沉淀，之后将沉淀溶解在浓度为200mg/mL的柠檬酸溶液中，V_SnCl4·5H2O/V_{柠檬酸溶液}=1︰0.5，得到含有锡的前驱体溶液，最后按每1mL含有锡的前驱体溶液加入100mg聚乙烯醇的比例配制成电纺溶液，然后进行静电纺丝得到复合纤维；

2）碳纳米纤维的金属刻蚀

将干燥的复合纤维转移到管式炉中，在惰性气氛中1000～1200℃加热1～3小时；将热处理后的复合纤维在浓盐酸中浸泡至没有气泡产生，用蒸馏水洗涤至pH=6～7，烘干，得到介孔碳纳米纤维（MCFs）。

步骤1）中V_SnCl4·5H2O/V_NH3·H2O=1︰0.05～0.3。

本发明制备得到的介孔碳纳米纤维可用于催化剂载体和双电层电容器的电极材料。作为催化剂载体可以大幅度提高催化剂催化氧化甲醇的活性、稳定性和抗中毒能力；作为双电层电容器的电极材料，因其具有较高比电容和化学稳定性可满足双电层电容器快速充放电的要求。

与现有技术相比，本发明的优点：（1）不需要硅模板和表面活性剂模板，可以直接通过金属刻蚀得到介孔碳纳米纤维；（2）可以通过控制所添加的锡元素的含量来制备不同孔径大小，不同比表面积的介孔碳纳米纤维；（3）制备的材料比现有的催化活化法得到的孔径分布均一；（4）得到的介孔碳纳米纤维比表面积大，导电性好，可以作为催化剂载体和双电层电容器的电极；（5）提供了在碳纳米纤维上制造介孔的新方法，为碳纳米纤维提供了新的潜在利用价值；（6）该方法制备过程简单，易操作，廉价，符合批量生产的特点。

附图说明

图1为实施例1中的介孔碳纳米纤维（MCFs）的SEM图。

图2为实施例2中的介孔碳纳米纤维（MCFs）的TEM图。

图3为实施例3中的介孔碳纳米纤维（MCFs）的氮气等温吸附脱附曲线图。

图4为实施例4中的介孔碳纳米纤维（MCFs）的孔径分布曲线。

图5为以实施例5中的介孔碳纳米纤维为载体合成的Pt-MCFs-60%催化剂的电催化氧化甲醇循环伏安曲线。