[发明专利]氮掺杂的窄中孔分布的碳纳米纤维及其制备方法

说明书

本发明公开一种氮掺杂的窄中孔分布的碳纳米纤维及其制备方法，该方法以热固性酚醛树脂为静电纺丝前驱体，添加含过渡金属元素的催化剂，并在碳化过程中引入氨气活化处理，得到氮掺杂的窄中孔分布的碳纳米纤维。藉此，通过在纤维碳化过程中以引入氨气活化处理，一步实现对碳纳米纤维的氮掺杂，同时也对纤维的中孔分布起到调控作用。本发明制备方法合理简便，可大规模制备，同时制得的碳纳米纤维具有窄的中孔分布和丰富的含氮基团，能更利于对目标分子/离子的分离、储存和催化等应用。

技术领域

本发明涉及碳纤维材料领域技术，尤其是指一种氮掺杂的窄中孔分布的碳纳米纤维及其制备方法。

背景技术

石墨质多孔碳材料具有高度石墨化、化学热学稳定性好、疏水性强和导电性能佳等优点，是一类优异的吸附材料、催化载体材料和能源存储材料。此类材料的孔结构分布是影响其在实际应用中性能发挥的重要因素。目前，石墨质多孔碳材料孔径分布比较宽，涵盖微孔到大孔的范围，不利于针对目标离子/分子发挥最佳作用，孔结构利用率低。

石墨质多孔碳材料的表面化学性质也是影响其性能发挥的另一重要因素。通常，氮掺杂是一种有效改善石墨质多孔碳材料表面化学性质的有效方式，可为石墨质多孔碳材料带来更多的反应活性位点，实现更强的电化学性能。但是石墨质多孔碳材料的氮掺杂往往工序较复杂，耗时且成本很高。目前，如何简单有效地调控石墨质多孔碳材料的孔结构和表面化学状态仍然是一难题。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种氮掺杂的窄中孔分布的碳纳米纤维及其制备方法，其能简单有效地调控石墨质多孔碳材料的孔结构和表面化学状态。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种氮掺杂的窄中孔分布的碳纳米纤维的制备方法，以热固性酚醛树脂为静电纺丝前驱体，添加含过渡金属元素的催化剂，并在碳化过程中引入氨气活化处理，得到氮掺杂的窄中孔分布的碳纳米纤维。

作为一种优选方案，包括有以下步骤：

（1）前驱体溶液的制备：以质量比1：0.010～0.050：0.020～0.200分别将热固性酚醛树脂、高分子量线性聚合物和含过渡金属元素的催化剂溶解于有机溶剂中，搅拌形成均匀的溶液；其中，热固性酚醛树脂在有机溶剂中的含量为20～40 wt.%；

（2）静电纺丝：通过静电纺丝装置将得到的前驱体溶液电纺成复合纤维；电压为20～30 kV，接收距离为20～30 cm，进给速度为0.5～2 mL/h；

（3）干燥和固化：将所得复合纤维于空气气氛中逐渐加热到180℃并保持1～3小时；

（4）碳化和氨气活化处理：把固化后的复合纤维进行热处理，在惰性气体气氛下升温至800～1000℃，引入氨气气氛并保温1-3小时，随后得到氮掺杂的窄中孔分布的碳纳米纤维。

作为一种优选方案，所述热固性酚醛树脂的分子量M_w的范围为600＜M_w＜4000。

作为一种优选方案，所述高分子量线性聚合物为聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯腈中的一种或几种。

作为一种优选方案，所述含过渡金属元素的催化剂为乙酰丙酮铁、乙酰丙酮镍、乙酰丙酮钴、氯化铁、氯化铜、氯化镍、氯化钴、铁氰化钾中的一种或几种。

作为一种优选方案，所述有机溶剂为乙醇、甲醇、丙酮、正丙醇、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺中的一种或几种。

作为一种优选方案，所述惰性气氛为氮气、氩气和氦气中的一种或多种。

一种氮掺杂的窄中孔分布的碳纳米纤维，采用前述氮掺杂的窄中孔分布的碳纳米纤维的制备方法制得，其表面氮含量大于0.5 at.%，中孔分布窄，主要集中在孔宽为3-10nm的中孔，孔宽为3-10 nm的孔容大于0.10 cm³/g。