[发明专利]内管壁负载氧化锡的中空多孔碳纳米纤维及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种内管壁负载氧化锡的中空多孔碳纳米纤维及其制备方法和应用，制备方法包括：将聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯和聚乙烯吡咯烷酮混合后得到壳层纺丝溶液；将聚乙烯吡咯烷酮和二水氯化亚锡溶解得到芯层纺丝溶液；将壳层纺丝溶液、芯层纺丝溶液同轴静电纺丝，得到碳纤维前驱体；进行预氧化和碳化处理，得到内管壁负载氧化锡的中空多孔碳纳米纤维；与传统方法制得的多孔碳纳米纤维相比，将氧化锡与碳纤维结合形成网络骨架，不仅使碳纤维具有更多的活性位点和更高的比电容，同时其可控的离子、电子传输通道提高了氧化锡储存电荷的稳定性和高效性，制备的中空多孔碳纳米纤维可应用于锂电池及超级电容器等方面。

技术领域

本发明属于新型多孔碳纳米纤维技术领域，具体涉及一种内管壁负载氧化锡的中空多孔碳纳米纤维及其制备方法和应用。

背景技术

碳基柔性多孔碳纳米纤维材料是一类重要的纤维材料，特别是在新能源领域有着重要应用。静电纺丝制备聚丙烯腈基碳纳米纤维是一种制备碳基柔性多孔碳纳米纤维材料的简便方法，具有操作简单，成本低廉，产物结构易于调节等优点。该方法制备得到的聚丙烯腈基碳纳米纤维具有三维立体结构，高孔隙率、高比表面积、高导电性和高储存性能等优势，被广泛应用在催化剂载体材料、超级电容器电极材料以及应用在锂离子电池等领域。

作为碳纳米纤维的一种衍生物，中空多孔碳纳米纤维可以大大地提高碳纳米纤维的比表面积，并且可以优化传统碳纳米纤维结构单一等问题，从而提高材料的电化学性能与吸附性能。目前已有的制备多孔碳纳米纤维的方法可以分为两大类，一类是先制备出碳纳米纤维，然后再利用氢氧化钾、二氧化碳、等离子体等刻蚀剂与基底纤维反应消耗碳并生成孔；另一种则是利用聚乙烯吡咯烷酮、碳酸氢钠、金属氧化物等造孔剂与聚合物基底进行混纺，然后造孔剂在随后的碳化过程中被消耗掉，或者在碳化完成后被后处理去除，从而在原来占据的位置形成孔。相比较来说，第二种方法操作起来较为简单，并且可利用不同的造孔剂来调节孔结构。

氧化锡是一种新型高容量电化学材料，氧化锡因其低毒性、高理论比容量和较低的嵌锂电位，受到了人们的广泛关注，被誉为是理想的锂离子电池负极材料和电容器电极材料。但是，由于循环期间离子的反复脱嵌及氧化锡体积易膨胀，造成团聚和粉化，且在循环过程中其低能量密度和界面不稳定性阻碍了其实际应用。因此，将氧化锡与碳纤维结合形成网络骨架，以此提升氧化锡的循环性能是目前的研究热点。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的首要目的是提供一种内管壁负载氧化锡的中空多孔碳纳米纤维的制备方法。

本发明的第二个目的是提供上述中空多孔碳纳米纤维。即具有分级孔和中空内管壁负载氧化锡结构、具有高效稳定电化学性能的碳纳米纤维。

本发明的第三个目的是提供上述中空多孔碳纳米纤维的应用。

为达到上述首要目的，本发明的解决方案是：

一种内管壁负载氧化锡的中空多孔碳纳米纤维的制备方法，其包括如下步骤：

(1)将聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯和聚乙烯吡咯烷酮溶解在有机溶剂中，室温搅拌后得到第一纺丝液(即壳层纺丝溶液)；

(2)将聚乙烯吡咯烷酮和二水氯化亚锡溶解在乙醇和有机溶剂的混合溶剂中，得到第二纺丝液(即芯层纺丝溶液)；

(3)将第一纺丝液作为壳层溶液，第二纺丝液作为芯层溶液进行同轴静电纺丝，得到碳纤维前驱体；

(4)在空气中通过马弗炉对碳纤维前驱体进行预氧化，得到含有氧化锡纳米粒子的预氧化聚甲基丙烯酸甲酯/聚乙烯吡咯烷酮/聚丙烯腈纳米纤维；

(5)将预氧化聚甲基丙烯酸甲酯/聚乙烯吡咯烷酮/聚丙烯腈纳米纤维在氮气氛围中高温碳化处理，得到内管壁负载氧化锡的中空多孔碳纳米纤维。