[发明专利]一种氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电催化材料技术领域，具体涉及一种氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维及其制备方法。

背景技术

一直以来，纳米材料在电催化的应用较广。首先，在电催化过程中，纳米材料与宏观尺度材料相比在单位体积内具有更大的比表面积，从而为电解液离子提供了更大的接触面积；其次，纳米材料的合成方式多样，形貌结构多样，不同微观结构的构建在纳米尺度上所暴露的有效活性位点不同，即不同晶面效应的影响。

但是，由于能源材料的紧缺，使得有效电极的构建及电催化效率的提高对于电化学的发展起着重要作用。但是，性能良好的催化剂一直是以铂等为主的贵金属催化剂。近几年来各种非贵金属及非金属纳米电极材料成为研究热点，因此，一些新型纳米碳材料，如碳纳米管(CNT)、碳纳米球、碳纤维、富勒烯C60、石墨烯等由于其独特的结构与性质，如较高的比表面积、良好的导电性及离子传输速率，在超级电容器、场发射、纳米电子器件、催化剂等领域具有潜在的应用前景。

发明内容

为进一步提高纳米碳材料有效活性位点的暴露、电催化效率及稳定性，本发明提供一种氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

提供一种氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维，其中，氮含量为5-20wt％，磷含量为5-20wt％，氟含量为5-20wt％。

同时，本发明还提供了上述氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维的制备方法，包括：将N,N-二甲基甲酰胺、六氟磷酸钠和聚丙烯腈混合，得到电纺溶液；然后采用电纺溶液进行静电纺丝，制备聚合物纤维；再将所述聚合物纤维进行碳化热处理，得到前驱体，然后对所述前驱体进行酸洗，得到所述氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维。

本发明提供的氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维中存在大量孔状结构，比表面积较大，有利于电催化效率的提高。同时，由于采用氮/磷/氟三种特定元素进行掺杂，暴露更多活性位点，电化学反应活性高。另外，该氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维具有优异的稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例1制备得到的氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维的SEM图；

图2是本发明实施例2制备得到的氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维的SEM图；

图3为实施例1～2制备得到的氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维的工作电极的极化曲线。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维中，氮含量为5-20wt％，磷含量为5-20wt％，氟含量为5-20wt％。

优选情况下，上述氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维的直径为200-600nm。

同时，本发明还公开了上述氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维的制备方法，具体包括：将N,N-二甲基甲酰胺、六氟磷酸钠和聚丙烯腈混合，得到电纺溶液；然后采用电纺溶液进行静电纺丝，制备聚合物纤维；再将所述聚合物纤维进行碳化热处理，得到前驱体，然后对所述前驱体进行酸洗，得到所述氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维。

根据本发明，首先，配制电纺溶液，该电纺溶液包括N,N-二甲基甲酰胺、六氟磷酸钠和聚丙烯腈。电纺溶液中，N,N-二甲基甲酰胺、六氟磷酸钠和聚丙烯腈的相对含量可在较大范围内变动，优选情况下，所述电纺溶液中，六氟磷酸钠：N,N-二甲基甲酰胺：聚丙烯腈的质量比为0.35-1.0：4.0-7.0：0.4-0.6。

上述N,N-二甲基甲酰胺、六氟磷酸钠和聚丙烯腈均为化学领域公知的材料，可通过常规商购得到。本发明中，优选情况下，所述聚丙烯腈的重均分子量为15000-150000。

配制得到上述电纺溶液后，即可进行静电纺丝处理。本发明中，静电纺丝所采用的设备可采用现有技术中所常用的各种静电纺丝设备，优选情况下，进行所述静电纺丝时，以铝制散热板作为收集基底，纺丝针头的内径为0.6-1.0mm，喷丝口距收集基底10-15cm。

静电纺丝的条件可根据实际情况进行调整，优选情况下，进行所述静电纺丝时，电纺溶液的喷速为0.4-0.6ml/h，高压电源电压区间为10.5-14kV。