[发明专利]一种多孔碳纳米纤维及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种多孔碳纳米纤维及其制备方法与应用。所述多孔碳纳米纤维具有由多个基础单元构筑形成的分级贯通孔结构，所述基础单元包括碳纳米管和与碳纳米管连接的石墨烯纳米条带，其中至少一碳纳米管设置于至少两个石墨烯纳米条带之间。本发明的多孔碳纳米纤维采用碳纳米管/石墨烯纳米带为单元材料，通过湿法纺丝技术结合冷冻干燥或超临界干燥工艺，制备具有分级贯通孔结构的碳纳米管/石墨烯纳米带纤维，利用碳纳米管分隔石墨烯纳米带，利用限域效应构筑纳米尺度孔隙结构，极大地提高纤维比表面积，为纤维状化学储能器件提供优良的电极材料，同时也为多功能织物的开发提供新材料，比如柔性电化学储能器件以及高比表面积催化载体等。

技术领域

本发明涉及一种多孔碳纳米纤维，特别是涉及一种具有分级贯通孔结构的柔性高比表面积碳纳米管/石墨烯纳米带多孔碳纳米纤维及其制备方法与应用，属于纳米多孔材料技术领域。

背景技术

高比表面积纳米碳基气凝胶纤维是一类具有导电的高孔隙纤维材料，通常由碳纳米管或石墨烯为单元构成材料，用于构筑电化学储能器件电极。当今织物产品越来越倾向于智能化与功能化，采用微纳结构设计，实现对环境感知与应激响应。其中，柔性储能器件是其中的关键组元之一，为柔性功能织物提供能源，因而对柔性电极材料提出了很高的要求。其中具有高比表面积的多孔纳米碳基纤维是理想的材料。现有的技术主要基于碳纳米管、石墨烯或它们的混合物作为单元材料，制备块状气凝胶，少数技术制备了气凝胶纤维。但是，目前市场上的纳米碳基多孔纤维存在比表面积低，纤维内部的微纳米孔隙结构难于调控等不足，再者，一些现有技术还采用石墨烯与碳纳米管的混合物构筑三维结构，而由于强的范德瓦尔斯作用力，这两种物质在微观尺度上很难形成均匀分散的结构，局部区域存在石墨烯或碳纳米管的聚集，因此在高性能电化学储能器件上的应用受到限制。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种具有分级贯通孔结构的多孔碳纳米纤维及其制备方法，以克服现有技术中的不足。

本发明的另一目的在于提供所述多孔碳纳米纤维在制备化学储能器件中的应用。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种多孔碳纳米纤维，所述多孔碳纳米纤维具有由多个基础单元构筑形成的分级贯通孔结构，所述基础单元包括碳纳米管和与碳纳米管连接的石墨烯纳米条带，其中至少一碳纳米管设置于至少两个石墨烯纳米条带之间。

在一些实施方案中，所述分级贯通孔结构由孔径大于50nm的大孔、孔径为2～50nm的介孔和孔径小于2nm的微孔组合形成。

进一步地，一基础单元中的石墨烯纳米条带的局部区域与碳纳米管一体结合，并且所述石墨烯纳米条带的其余区域与碳纳米管彼此分离。

本发明实施例还提供了一种多孔碳纳米纤维的制备方法，其包括：

(1)至少对多壁碳纳米管外壁表层的局部区域进行剪切，形成基础单元，所述基础单元包括碳纳米管和石墨烯纳米条带，所述石墨烯纳米条带的局部区域与碳纳米管一体结合，其余区域与碳纳米管彼此分离；

(2)将多个所述的基础单元分散于水相体系或有机相体系中，并制成凝胶；

(3)对所述凝胶进行湿法纺丝，制得凝胶纤维；以及，

(4)对所述凝胶纤维进行溶剂置换形成水凝胶纤维，之后冷冻，再进行冷冻干燥或者超临界干燥，获得具有分级贯通孔结构的多孔碳纳米纤维。

本发明实施例还提供了由所述方法制备的多孔碳纳米纤维，其比表面积为500～1200m²/g，孔隙率为85～95％、直径为1～300μm，电导率为1.2×10³～8.0×10³S/cm。

本发明实施例还提供了前述的多孔碳纳米纤维于制备化学储能器件或高比表面积催化载体中的用途。