[发明专利]一种螺旋纳米碳纤维及其制备方法

说明书

本发明公开了一种螺旋纳米碳纤维及其制备方法，属于碳纤维制备技术领域。本发明在制备镍磷镀层的镀液中添加改性炭黑，经过浓硝酸氧化改性后的炭黑粒子有助于在蚀刻阶段在镍磷镀层上形成更加均匀的纳米空隙，提高催化活性，进而为后续螺旋纳米碳纤维的生长提供有利的生长环境，实现螺旋纳米碳纤维的宏量生长。本发明采用阳极氧化蚀刻方法蚀刻镍磷镀层，其具有更强的操控性，能够严格控制电解液浓度、电压或电流、时间等工艺参数，从而有效避免现有技术采用化学蚀刻所导致的反应速率不易控制的问题，实现纳米多孔镍磷材料的可控工艺制备。本发明制得的螺旋纳米碳纤维形貌好，产量高，工艺简单，重复性高。

技术领域

本发明涉及碳纤维制备技术领域，具体涉及一种螺旋纳米碳纤维及其制备方法。

背景技术

螺旋纳米碳纤维是一种性能非常优异的材料，其特殊的螺旋状形态使其具有高比表面积、高比模量、高导电性、低密度和高弹性等优异的物理、化学性能，有望在很多领域具有新的潜在的应用，比如高性能电磁波吸收装置、高比容量电池、触觉传感器、纳米机电设备和储氢装置等。

目前，国内外关于制备螺旋纳米碳纤维的方法大都以化学气相沉积法(CVD)为主，用石墨或陶瓷作为基体，然后在基体铺上催化剂粒子，在高温气氛下通入烃类气体进行催化热解，在催化剂颗粒上析出螺旋纳米碳纤维。通过此类方法可制备出纯度较高的螺旋纳米碳纤维，但是此类方法往往受催化剂颗粒的影响很大，生长后的螺旋纳米碳纤维普遍存在产量低、工艺复杂、成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种螺旋纳米碳纤维及其制备方法，以解决现有制备方法工艺复杂、成本高、产量低、无法实现大量生产的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种螺旋纳米碳纤维的制备方法，包括：

(1)制备纳米多孔镍磷材料：

(11)将炭黑置于浓硝酸中并在80～100℃的油浴中加热，冷凝回流，搅拌反应15～20h，制得改性炭黑；将乳酸、硫酸镍和柠檬酸配混合制成第一溶液，将次亚磷酸钠和乙酸钠混合配制成第二溶液；将第一溶液和第二溶液混合定容，加入改性炭黑，超声震荡20～30min后调节pH至4～5，制得镀液；

其中，乳酸、硫酸镍、柠檬酸、次亚磷酸钠、乙酸钠和改性炭黑的质量比为：(36～48)：(30～45)：(2～8)：(20～35)：(15～25)：(0.01～0.1)；

(12)将经过净化处理的基材试样置于步骤(11)的镀液中，搅拌镀液，在70～85℃下施镀2～3h，清洗、干燥；

(13)以浓度为1～5mol/L的磷酸溶液作为电解液，将步骤(12)得到的基材试样在温度为20～25℃、电压为0.5～1V的条件下蚀刻30～50min，清洗、干燥，制得纳米多孔镍磷材料；

(2)将所述纳米多孔镍磷材料于惰性气氛中以2～8℃/min的速率升至500～700℃并保温8～15min，然后通入乙炔反应20～60min，制得螺旋纳米碳纤维。

本发明通过设计工艺步骤、调节工艺参数以及原料配比制备出利于螺旋纳米碳纤维生长的纳米多孔镍磷材料，从而实现螺旋纳米碳纤维的宏量生长。具体地：

首先，本发明在制备镍磷镀层的镀液中添加改性炭黑，经过浓硝酸氧化改性后的炭黑粒子有助于在蚀刻阶段在镍磷镀层上形成更加均匀的纳米空隙，提高催化活性，进而为后续螺旋纳米碳纤维的生长提供有利的生长环境。并且本发明经过硝酸氧化改性处理的纳米炭黑粒子，能够显著提高炭黑粒子在镀液中的分散性和镀液的稳定性，可以使得炭黑表面纳米孔结构更小，更加的均匀一致，具有更高的比表面积，发挥出更高的催化性能，实现螺旋纳米碳纤维的宏量生长。