[发明专利]一种基于聚丙烯腈的氧化碳布的制备方法及其应用

说明书

本发明属于无机功能材料制备技术领域，涉及一种以聚丙烯腈为原料制备带有亲水含氧官能团碳布的方法，制备的聚丙烯腈碳布兼具有高的导电性、优良的亲水性及机械强度。将预氧化的聚丙烯腈纤维布不完全碳化处理后，化学腐蚀在室温下进行，将浓硫酸和浓硝酸混合均匀为混合酸，将上述碳化后的纤维布浸泡到混合酸中，0.5‑3小时后取出用去离子水洗涤并干燥，得到氧化碳布。本发明涉及的制备工艺简单可控，重复性好，操作方便，成本低，易于大规模生产；制备的材料具有低电阻、高面积比电容以及优良柔韧性，在1mA/cm²的电流密度下面积比电容达到1400mF/cm²。这些特点使其在材料、物理、能量存储器件等领域具有巨大的应用前景。

技术领域

本发明属于无机功能材料制备技术领域，涉及一种以聚丙烯腈为原料制备带有亲水含氧官能团碳布的方法。

背景技术

柔性储能设备具有柔性，可拉伸，耐用和轻便等特点，在各种应用中具有巨大的潜力，例如智能和可弯曲的移动电话，军事设备，植入式医疗设备和生物检测设备。在诸如锂离子电池和超级电容器等众多储能装置中，由于超级电容器的高功率密度，长使用寿命和快速充电/放电能力，其在可穿戴设备中的作用越来越大。然而，对于不适合与柔性和可穿戴电子设备集成的传统超级电容器而言，获得期望的灵活性，高强度和突出的电容并不容易。

为了解决上述问题，传统超级电容器的关键部件必须由柔性部件取代。由于纸张和纺织品价格低廉，具有出色的灵活性和环保性，因此被认为是理想的基材。然而，由于它们的绝缘性质，这些衬底必须与导电材料(碳纳米管，石墨烯和银纳米线等)复合。尽管目前取得了不少的成果，但由于它们之间的粘附力差，导电材料有可能从纤维载体上脱落，尤其是在弯曲循环过程中。为了解决这个问题，来自电纺聚合物前体的碳纳米纤维由于其良好的导电性以及不含粘合剂或导电添加剂而成为用于超级电容器的有前景的电极材料。

由于预氧化处理和碳化过程中可纺性，大孔结构和热稳定性的特殊性，聚丙烯腈作为柔性固态超级电容器的一种有前途的材料而被深入研究。然而碳化后的聚丙烯腈碳布具有很强的疏水性不利于其在电解液中的浸润。现有技术中，碳纤维可根据性能要求经过改性以优化其性能。如中国专利CN105097302A公开了一种用于超级电容器的活性碳纤维，利用浓硫酸对活性碳纤维进行亲水整理，制得的MnO₂纳米阵列具有优异的循环稳定性和电化学倍率性能。中国专利CN107476055A公开了一种碳纤维表面接枝的方法，碳纳米纤维在硝酸和硫酸的混合液中进行氧化处理，制备的表面接枝碳纳米纤维的碳纤维具有高的表面能和界面剪切强度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术及材料存在的缺点，寻求设计一种简易的可连续化生产的氧化碳布的制备方法，充分利用聚丙烯腈易加工性、易纺性以及轻薄的特点，以硝酸与硫酸的混合酸为氧化剂，使制备的聚丙烯腈碳布兼具有高的导电性、优良的亲水性及机械强度。因此，本发明的目的是这样实现的：一种基于聚丙烯腈的氧化碳布的制备方法，其具体制备工艺过程为：

(1)预氧化：将聚丙烯腈纤维布在200-300℃的空气氛围下预氧化1-24小时或直接获取商业化预氧化的聚丙烯腈纤维布；

(2)碳化处理：将上述预氧化的聚丙烯腈纤维布浸入100-500毫升丙酮中，超声波处理1-3小时后，依次用酒精和蒸馏水清洗2-5次，然后置于50-80℃下真空干燥，最后，将干燥后的聚丙烯腈纤维布在700-1100℃下以每分钟5℃的加热速率热退火1-3小时，得到碳化后的碳布；

(3)氧化碳布的制备：化学腐蚀在室温下进行，将浓硫酸和浓硝酸混合均匀为混合酸，将上述碳化后的碳布浸泡到混合酸中，0.5-3小时后取出用去离子水洗涤并干燥，得到氧化碳布。

本发明所述浓硫酸和浓硝酸的体积比为(1-3):(3-1)，优选为1:1。

本发明所述步骤(2)得到的碳化后的碳布为不完全碳化的碳布，完全碳化的条件苛刻，需要温度非常高，且结构稳定不易被酸刻蚀。