[发明专利]一种氮掺杂的木质素基碳纤维复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种氮掺杂的木质素基碳纤维复合材料的制备方法，所述制备方法包括：1)将聚合物溶于有机溶剂中，再加入尿素制备纺丝液；2)静电纺丝制备纳米纤维前驱体；3)对步骤2)中所得的纤维前驱体在空气中干燥后，浸入苯胺/盐酸溶液中，随后逐滴滴加过硫酸铵的盐酸溶液，保温反应；4)预氧化；5)管式炉中煅烧，得到氮掺杂的木质素基碳纤维。本发明所用碱木质素为原料，来源广泛，绿色环保，生产成本低。采用尿素和聚苯胺作为氮源，提高了碳纤维氮含量，同时氮分布均一，可有效地提高碳纤维电化学性能。

技术领域

本发明属于材料领域，具体而言，涉及一种氮掺杂的木质素基碳纤维复合材料的制备方法和应用。

背景技术

超级电容器，也称为电化学电容器,由于其具有较高的功率密度,快速充/放电速率，和极好的循环寿命,超级电容器成为极具前景的器件。根据其电荷存储机制，超级电容器通常分为两种类型：双电层电容器，电容是通过在电极/电解液表面，可逆的离子吸附/解吸的电荷量产生的；另一种是赝电容器，其电容来源于可逆的氧化还原反应。多数碳材料，如活性炭、纳米碳纤维、碳纳米管和石墨烯，通常具有双电层电容。而导电聚合物如聚苯胺和聚吡咯通常被用作赝电容器。因为这两种电容器具有不同的电荷存储机理，双电层电容器具有较高的能量密度和较长的循环寿命，但其比电容较低；而赝电容器具有较高的比电容和能量密度，但其稳定性较低、循环寿命差。因此，为提高其导电性能，我们将具有双电层电容的纳米碳纤维与具有赝电容的聚苯胺复合来发挥它们各自的优点以达到协同作用。此外，现有技术中往往通过掺杂硼、硫和氮等杂原子，提高碳材料的电化学性能。

近年来，新型的碳纳米材料(如石墨烯、碳纳米管，介孔碳，等等)都表现出优良的性能作为超级电容器。然而，这些碳材料，不可再生、制备条件苛刻和成本高限制了它们的广泛应用。木质素作为最重要的可再生资源之一，是仅次于纤维素的第二大自然聚合物。它是由苯丙烷结构单元组成，并且存在大量的化学基团，如甲氧基、酚基和羟基。

静电纺丝是一种通过电压来压迫聚合物或聚合物混合液流体喷射来制备纳米纤维的方法。该方法制备的氮掺杂的木质素基碳纤维复合材料具有均匀的纤维直径、高氮含量和高石墨结构，这种独特的结构对提高电容性能非常重要，同时也为低成本、可再生的生物质原料提供了高价值的应用前景。

现有技术中已有多种通过静电纺丝技术制备基于木质素的纳米纤维的方法，例如中国专利201180026569.X，201010104518.1以及201710043185.4等，但这些已有的木质素的纳米纤维并不能很好地应用于超级电容器，因此还需要进一步开发具有例如更高比电容的电化学性能的纳米纤维。

发明内容

针对以上现有技术存在的问题，根据本发明的一个方面，本发明的一个目的在于提供一种氮掺杂的木质素基碳纤维复合材料的制备方法，该方法以环境友好可再生的木质素为碳源，所用木质素原料来源广泛、价格低廉，可以降低碳纤维的成本。同时制备的碳纤维复合材料具有均匀的纤维直径、高氮含量和石墨结构，可有效地提高其电化学性能。

根据本发明的氮掺杂的木质素基碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将聚合物溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)有机溶剂中，充分搅拌，配成质量分数为13％～15％的均一溶液，将尿素加入制备的聚合物溶液中，继续搅拌完全溶解，即得纺丝液；

2)设置静电纺丝电压为10-18kv，接收距离10-18cm，推进速率0.3ml/h-1.0ml/h，用锡箔纸收集高压静电纺丝制得的纳米纤维前驱体；

3)对步骤2)中所得的纤维前驱体在空气中干燥后，浸入苯胺/盐酸溶液中10-24h，其中苯胺的质量分数为0.1％，随后逐滴滴加含有质量分数为2.5g/L的过硫酸铵的盐酸溶液40ml，并保持温度在0～4℃，3-5h；

4)对步骤3)所得的纳米纤维经去离子水洗数次后，置于60℃干燥箱中干燥12h后，将其置于管式炉中空气气氛下260℃预氧化1h；