[发明专利]一种纤维素纳米纤维/丝素蛋白基多孔氮掺杂2D碳纳米片电极材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种纤维素纳米纤维/丝素蛋白基多孔氮掺杂2D碳纳米片电极材料制备方法，属于碳电极材料技术领域。本发明的纤维素纳米纤维/丝素蛋白基多孔氮掺杂2D碳纳米片电极材料的制备方法，包括如下步骤：将纤维素纳米纤维悬浮液与丝素蛋白溶液混合均匀得到复合悬浮液；在盐酸蒸汽中处理1‑12h，制得纤维素纳米纤维/丝素蛋白复合水凝胶；在液氮中冷冻5‑60min然后冷冻干燥，制得复合气凝胶；在保护气氛下，700‑1300℃下碳化1‑8h，然后活化，即得。本发明的方法制得的纤维素纳米纤维/丝素蛋白基多孔氮掺杂2D碳纳米片电极材料电极材料具有尺寸大、柔韧性好、多孔等特点，还具有2D石墨烯形貌的微观结构形貌。

技术领域

本发明涉及一种多孔氮掺杂碳纳米片电极材料，尤其涉及一种纤维素纳米纤维/丝素蛋白基多孔氮掺杂2D碳纳米片电极材料的制备方法，属于碳电极材料技术领域。

背景技术

目前，新型储能器件如超级电容器、锂离子电池、镍氢电池等广泛采用碳纳米材料作为其电极材料。作为储能器件电极材料的碳纳米材料，一般都具有良好的导电性能、电化学稳定性及良好的加工性能。但是，随着新能源技术和产业的发展，储能器件对电极材料的要求也越来越高。例如，电动车产业和新型储能产业的发展，对储能器件的能量密度、充放电倍率和循环寿命都提出了更高的要求，传统的碳电极材料已经无法充分满足这些需求。

与传统碳电极材料相比，以石墨烯为代表的2D碳纳米材料具有比表面积大、扩散距离短等特点，许多研究表明，2D碳纳米材料非常适合于作新型储能器件的电极材料，能够满足新型储能产业发展对电极材料的性能要求。

碳纳米片是一种具有类石墨烯结构的新型2D碳纳米材料，具有非常高的比表面积和优良的导电性能。碳纳米片的厚度一般在10-100nm，大大减小了导电粒子的扩散距离，作为电极材料时具有较好的倍率性能。而且，与石墨烯相比，碳纳米片还具有成本低、不易团聚的优点，便于加工和产业化生产。

现有技术中碳纳米片的制备多是以具有石墨相的材料为原料，原料要求较高，如申请公布号为CN106517115A的发明专利中公开的密闭氧化法制备石墨相氮化碳纳米片的方法，这种方法对原料要求较高，而且制得的氮化碳纳米片易出现材料片层厚度不均匀，比表面积较低等缺点。

申请公布号为CN106517179A的发明专利中公开了一种碳纳米片矩阵材料的制备方法，该方法以木质素为原料，并配以间苯二酚、甲醛和碳酸钠等，先制备木质素凝胶，然后在600℃下碳化制得凝胶碳化物，之后用氯化镁处理后洗涤干燥得到碳纳米片矩阵材料。这种方法得到的纳米片厚度小，比表面积大，非常适合于作储能器件的电极材料。但是，这种方法使用的原料种类较多，容易在中间产物和最终产物中引入不同种类的杂质，不利于获得尺寸大、多孔的碳纳米片，也不利于提高材料的容量。

发明内容

本发明实现了利用天然高分子材料制备高性能多孔氮掺杂2D碳纳米片电极材料的目标，提供一种纤维素纳米纤维/丝素蛋白基多孔氮掺杂2D碳纳米片电极材料的制备方法。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：

一种纤维素纳米纤维/丝素蛋白基多孔氮掺杂2D碳纳米片电极材料的制备方法，包括如下步骤：

1）将纤维素纳米纤维悬浮液与丝素蛋白溶液混合均匀，得到纤维素纳米纤维/丝素蛋白复合悬浮液；所述纤维素纳米纤维悬浮液中纤维素纳米纤维与丝素蛋白溶液中的丝素蛋白的质量比为30-70:30-70；

2）将制得的纤维素纳米纤维/丝素蛋白复合悬浮液在挥发有盐酸的环境中处理1-12h，制得纤维素纳米纤维/丝素蛋白复合水凝胶；

3）将制得的纤维素纳米纤维/丝素蛋白复合水凝胶在液氮中冷冻5-60min，然后冷冻干燥，制得纤维素纳米纤维/丝素蛋白复合气凝胶；

4）将制得的纤维素纳米纤维/丝素蛋白复合气凝胶在保护气氛下，700-1300℃下碳化1-8h，然后活化，即得。