[发明专利]一种细菌纤维素衍生的碳纳米纤维气凝胶及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，尤其涉及一种细菌纤维素衍生的碳纳米纤维气凝胶及其制备方法。

背景技术

碳气凝胶具有引人注目的独特性能，包括低表观密度、大比表面积、丰富的孔隙结构、高电导率、良好的机械性能、稳定的化学性质和环境相容性，因此受到科研工作者的广泛研究。碳气凝胶在环境保护、电化学能量存储和转化、聚合物科学和先进传感器领域具有极大的应用潜力。

目前制备碳气凝胶材料，有以下几种方法：1、通过碳化有机物凝胶来制备，如Pekala等发明了酚醛树脂的碳气凝胶(US patent 1989,4873218)，通过水溶液中的有机分子的溶胶-凝胶过程制得了聚合物前驱体，经过热解，高度交联的有机气凝胶转化为多孔、导电的三维气凝胶(J.Mater.Sci.1989,24,3221)，这种方法可以大规模制备碳气凝胶，却需要使用有毒的反应物间苯二酚和甲醛；2、通过化学气相沉积(CVD)法来制备，目前碳纳米管(CNT)海绵、石墨烯泡沫、碳纳米管/石墨烯混合气凝胶都是研究的热点材料，而化学气相沉积法是一种合成这些碳气凝胶的常用方法，如曹安源等利用CVD法制备了CNT海绵(Adv.Mater.2010,22,617)，这种气凝胶中包含自组装的、相互交联的CNT骨架，孔隙率大于99％，高机械弹性，应用非常广泛，但是CVD过程需要昂贵的前驱物、复杂的设备和技术，限制了它大规模生产，难以实际应用；3、通过组装基元来制备，将CNT和石墨烯等组装基元通过自组装过程转变为宏观材料，来构造单一组分或者混杂组分的碳气凝胶，如Worsley等通过混合氧化石墨烯、间苯二酚和甲醛制备了一种高电导率、大比表面积的石墨烯气凝胶(J.Am.Chem.Soc.2010,132,14067)，高超等将CNT和石墨烯的混合溶液冷冻干燥、化学还原，制备出一种超低密度、压缩循环性能优秀、电导率随压力变化的混合气凝胶(Adv.Mater.2013,25,2554)，然而这些方法中使用了昂贵的组装基元，同样限制了他们的大规模应用。

细菌纤维素由几种特殊的细菌发酵而成，其成分是纯净的纤维素，纤维素纳米纤维形成了三维交互交联的纳米纤维网络。热解后，纤维素纳米纤维转化为碳纳米纤维，还保持了原有的三维交联网络结构。细菌纤维素衍生的碳纳米纤维气凝胶有广泛的应用前景，已经用作油类吸附材料(中国专利，ZL 201210562508.1)、弹性导体(NPG Asia Mater.2012,4,e19)、催化剂载体(中国专利，ZL 201410093405.4)、超级电容器的电极(Adv.Mater.2013,25,4746)等等。同时，细菌纤维素还是一种典型的生物质材料，能够在工业化的发酵过程中来制备，相比其他制备碳气凝胶的材料，具有便宜、来源广、对环境友好、可大规模制备等优势，因此由细菌纤维素热解转化碳纳米纤维气凝胶是一种理想的制备碳气凝胶的方法。

但是，目前使用细菌纤维素来制备碳纳米纤维气凝胶，热解过程中质量损失严重，使得获得的碳纳米纤维气凝胶产量很低，且碳纳米纤维气凝胶体积收缩严重，限制了其进一步应用。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种细菌纤维素衍生的碳纳米纤维气凝胶及其制备方法，该制备方法产量较高。

本发明提供了一种细菌纤维素衍生的碳纳米纤维气凝胶的制备方法，包括：

S1)将细菌纤维素浸泡于含有无机铵盐的溶液中，然后进行冷冻干燥，得到细菌纤维素气凝胶；

S2)将所述细菌纤维素气凝胶进行高温热解后得到碳纳米纤维气凝胶。

优选的，所述细菌纤维素先经过除酸处理，然后再浸泡于含有无机铵盐的溶液中。

优选的，所述除酸处理具体为浸泡除酸；所述浸泡除酸的时间为5～10天。

优选的，所述无机铵盐选自磷酸、硫酸与盐酸的铵盐中的一种或多种。

优选的，所述含有无机铵盐的溶液中无机铵盐的浓度为0.1～1000mmol/L；所述浸泡的时间为5～10天。

优选的，所述步骤S1)具体为：

将将细菌纤维素浸泡于含有无机铵盐的溶液中，然后用液氮冷冻后，再进行冷冻干燥，得到细菌纤维素气凝胶。

优选的，所述液氮冷冻的时间为15～25min；所述冷冻干燥的时间为3～5天。

优选的，高温热解的升温速率为2～10℃/min；所述高温热解的温度为600℃～1400℃；所述高温热解的时间为1～3h。

优选的，所述高温热解后以4～6℃/min速率降温至400℃～600℃，再自然降至室温，得到碳纳米纤维气凝胶。