[发明专利]一种富氮多孔聚丙烯腈基碳纤维及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种富氮多孔聚丙烯腈基碳纤维，属于多孔碳纤维制备和应用领域。所述聚丙烯腈基富氮多孔碳纤维中氮的质量含量为20～25％，比表面积为300～600m²/g，总孔体积为0.1～0.4cm³/g，微孔体积占总孔体积的75～85％。本发明还公开了所述的富氮多孔聚丙烯腈基碳纤维的制备方法，将原料纤维置于非密闭空气环境中进行空气气氛热处理，获得富氮多孔聚丙烯腈基碳纤维。所述的富氮多孔聚丙烯腈基碳纤维对二氧化碳具有良好的吸附性，同时具有优异的CO₂/N₂选择吸附性，可应用于二氧化碳的吸附领域中。所述的富氮多孔聚丙烯腈基碳纤维微孔率高、比表面积大，且该富氮多孔聚丙烯腈基碳纤维的制备方法同时实现碳化和活化，减少了时耗与能耗。

技术领域

本发明属于多孔碳纤维制备和应用领域，具体是富氮多孔聚丙烯腈基碳纤维及其制备方法和应用。

背景技术

多孔碳纤维具有独特的孔隙结构、大的比表面积、可控化学结构、高的耐温性、稳定的物理化学性质等特点，被广泛应用于工农业及医疗等多个领域，如气相或液相选择性吸附、催化、主/助催化剂载体、光电材料、生物医用等相关领域。

目前多孔碳纤维制备方法主要有化学活化法、物理活化法和化学—物理复合活化法。

化学活化法是通过将化学试剂嵌入碳纤维内部结构，经历一系列的交联缩聚反应形成微孔。化学活化和碳化可同时进行，即直接升温到活化温度进行碳化和活化。在活化前，先将活化剂与原料以一定比例共混，烘干后再放入惰性气氛中升温进行活化。活化剂与原料的质量比是影响多孔碳纤维性能的一个重要因素，可以通过控制浸渍比以及不同的活化温度来制备所需的多孔碳纤维。

物理活化法一般分两步进行，先将原料碳化，再用二氧化碳和水蒸汽或它们的混合气体在高温下进行活化。高温下，二氧化碳和水蒸汽都是温和的氧化剂，碳材料内部碳原子与活化剂反应，形成孔隙结构。

化学—物理复合活化法是将化学活化和物理活化结合起来，即加入化学试剂，在上述气体存在的条件下进行活化。化学活化过程中化学试剂会对设备造成腐蚀，洗涤过程耗时长，且化学试剂亦会污染环境，危害人体健康。物理活化使用的二氧化碳和水蒸气氧化性较温和，制备的碳材料孔隙率相对较低。

公开号为CN106876721A公开了一种液流电池用多孔碳纳米纤维电极及其制备方法，该方法以高分子聚合物作为前驱体，经静电纺丝法制成纳米纤维，将聚合物纤维在200～350℃于空气中预氧化1～3h，然后在惰性气氛下于800-2000℃碳化热处理1～3h，冷却至室温后得到碳纳米纤维电极材料；将碳纳米纤维电极材料在惰性气氛下升至700～1500℃，通入活化气体(水蒸气或二氧化碳)和惰性气体的混合气恒温保持2～60min，继而在惰性气氛保护下冷却至室温，制得多孔碳纳米纤维电极材料。该方法中预氧化、碳化和活化分三步进行，操作步骤多，耗能和耗时，并且使用的二氧化碳或水蒸气氧化性较温和，导致合成的多孔碳纤维孔隙率较低，从而影响多孔碳纤维的使用性能。

公开号为CN106435841A公开了一种聚丙烯腈基多孔碳纤维的制备方法，包括：(1)聚丙烯腈/聚苯乙烯初生纤维的预氧化处理：在空气或氧气的气氛中，将制备的初生纤维升温至200～300℃，升温速率为2℃/min，保温1h，然后自然冷却至室温，得到预氧化的聚丙烯腈/聚苯乙烯纤维；(2)聚丙烯腈/聚苯乙烯预氧纤维的碳化处理：在氮气的气氛下，将预氧化的聚丙烯腈/聚苯乙烯纤维升温至800～1000℃，升温速率为5℃/min，保温1h，然后自然冷却到室温，得到聚丙烯腈基的多孔碳纤维。该方法中预氧化和碳化是分步进行的，通过聚苯乙烯的分解来获得多孔结构，耗能和耗时。

发明内容

本发明提供了一种微孔率高、比表面积大的富氮多孔聚丙烯腈基碳纤维及其制备方法和应用。