[发明专利]一种生物质基碳纳米纤维的制备方法

说明书

本发明公开了一种生物质基碳纳米纤维的制备方法，具体为：首先将木质素与丁酸酐以及1‑甲基咪唑混合，在氮气氛围下搅拌反应，使用正己烷进行洗涤，之后置于去离子水中，搅拌，抽滤，干燥，得到酯化改性木质素；将聚丙烯腈与酯化改性木质素溶解于N,N‑二甲基甲酰胺溶液中得到纺丝液；对纺丝液进行静电纺丝制备碳纳米纤维前驱体，并将碳纳米纤维前驱体于马弗炉中进行预氧化，再进行碳化处理，得到生物质基碳纳米纤维。本发明方法制备的生物质基碳纳米纤维作为超级电容器电极材料，电化学性能性能优异，能够满足电动汽车、高负载行业、新能源电力存储等领域的应用要求。

技术领域

本发明属于纳米纤维制备技术领域，具体涉及一种生物质基碳纳米纤维的制备方法。

背景技术

随着环境污染问题日趋严重，新能源的发展已经迫在眉睫，在此情况之下需要大力发展太阳能、地热能、核聚变能等清洁可再生能源。但是这些能源受到或是自身条件或是自然因素的限制，具有间歇性、不稳定性等特点，因此需要大力发展一种能源转化与储存装置来满足这些新能源的大规模化应用。

超级电容器，作为介于传统电容器和充电电池之间的的一种储能原器件，具有大的功率密度和长的循化寿命而拥有广泛的应用前景。超级电容器根据储能机理的不同可以分为双电层电容器和法拉第赝电容器。其中双电层电容器电极材料主要是碳基材料，包括活性碳材料、石墨烯及其衍生物、碳纳米管、模板碳等。这些碳基材料因其制备工艺简单、原料来源广泛而引发了广大科研工作者的关注。

生物质基碳材料，因其大的比表面积与孔隙率、制备成本简单而最具商业化生产的潜力。但是该材料在制备过程中很难去控制碳材料中微孔、介孔、大孔的比例，从而限制了碳基材料作为超级电容器电极材料的应用。近年来，由于静电纺丝工业的大力发展，很多科研工作者开始使用静电纺丝法去制备前驱体纤维，通过调整纺丝工艺去调节前驱体纤维的比表面积和孔隙率，再将前驱体纤维进行碳化得到碳纤维得到比表面积与孔隙率可调节的活性碳纤维。但是生物质基活性碳材料具有石墨化程度低、导电性差的缺点，因此如何去提高生物质基活性碳材料的导电性，从而使其具有更加优异的电化学性能成为了一个难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生物质基碳纳米纤维的制备方法，解决了现有技术中生物质基碳纳米纤维电化学性能差的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种生物质基碳纳米纤维的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、将木质素、丁酸酐和1-甲基咪唑混合均匀，在氮气氛围下搅拌反应，自然冷却到室温，得到混合液；之后将混合液使用正己烷沉淀并洗涤，过滤得到滤渣，最后将滤渣置于去离子水中，搅拌，抽滤，冷冻干燥，得到酯化改性木质素；

步骤2、将聚丙烯腈溶于N,N-二甲基甲酰胺中，于50℃～80℃搅拌反应2～6h，得到聚丙烯腈/N,N-二甲基甲酰胺溶液；

步骤3、将步骤1中得到的酯化改性木质素溶解于步骤2中得到的聚丙烯腈/N,N-二甲基甲酰胺溶液中，在40～60℃的条件加热搅拌4～6h，得到聚丙烯腈-酯化木质素/N,N-二甲基甲酰胺溶液；

步骤4、经步骤3后，制备具有三维导电网络结构的生物质基碳纳米纤维。

本发明的特点还在于，

步骤1中，反应温度为40～80℃，反应时间为4～12h；冷冻干燥温度为-50℃，冷冻干燥时间为48～96h。

步骤1中，木质素与丁酸酐的质量比为1～10：1～5；1-甲基咪唑的质量是木质素质量的1～5％。

步骤2中，聚丙烯腈与N,N-二甲基甲酰胺的质量比为1～4：1～4。

步骤2中，聚丙烯腈-酯化木质素/N,N-二甲基甲酰胺溶液的质量浓度为10～30％。

步骤4中，制备具有三维导电网络结构的生物质基碳纳米纤维，具体步骤如下：