[发明专利]一种碳纳米纤维‑石墨烯复合气凝胶及其协同组装制备方法

摘要

本发明属于纳米纤维碳气凝胶领域，具体为一种碳纳米纤维‑石墨烯复合气凝胶及其协同组装制备方法。本发明方法包括采用静电纺丝法制备聚丙烯腈纳米纤维；通过程序控温预氧化处理，制备出表面功能化的氧化聚丙烯腈纳米纤维；对氧化聚丙烯腈纳米纤维进行匀浆处理，然后在一定条件下将其和氧化石墨烯进行协同组装，经过冷冻干燥处理和高温碳化制备碳纳米纤维‑石墨烯复合气凝胶。本发明制备过程简单高效，绿色环保，无任何有毒试剂的使用，且所制得的碳纳米纤维‑石墨烯复合气凝胶具有质轻、多孔、回弹性良好等优点，解决了传统膜状静电纺丝纤维材料不易三维成型的难题。本发明所制备的碳纳米纤维‑石墨烯复合气凝胶作为超级电容器电极材料具有优异的电容性能。

主权项

一种碳纳米纤维‑石墨烯复合气凝胶的协同组装制备方法，其特征在于具体步骤如下：（1）在搅拌和油浴条件下，配制聚丙烯腈纺丝溶液；（2）采用静电纺丝法制备聚丙烯腈纳米纤维；（3）通过程序控温，对步骤（2）的聚丙烯腈纳米纤维进行预氧化处理，得到表面功能化的氧化聚丙烯腈纳米纤维；（4）采用高速匀浆机，对步骤（3）的氧化聚丙烯腈纳米纤维进行匀浆处理；（5）将氧化石墨烯分散于去离子水中，超声得到稳定分散的氧化石墨烯分散液；（6）将步骤（4）得到的氧化聚丙烯腈纳米纤维分散液和步骤（5）得到的氧化石墨烯分散液混合，在连续的超声和搅拌处理下进行协同组装过程，经过液氮冷冻和冷冻干燥，得到氧化聚丙烯腈纳米纤维‑氧化石墨烯气凝胶；（7）将步骤（6）得到的氧化聚丙烯腈纳米纤维‑氧化石墨烯气凝胶进行高温碳化，得到碳纳米纤维‑石墨烯复合气凝胶；步骤（1）中所述的配制聚丙烯腈纺丝溶液的溶剂为N,N‑二甲基甲酰胺，聚丙烯腈纺丝溶液的浓度为0.1~0.15 g/mL；所述油浴的温度为70~80℃；步骤（2）中所述静电纺丝的工艺参数为：流速0.2~0.3 mm/min，电压为18~20 kV，接收距离为10~20 cm；步骤（3）中所述程序控温，其升温速率为1~2℃/min，平台温度为250~300℃，保持2~4 h，然后自然降温；该过程在纤维表面引入氨基以实现纤维的表面功能化，从而为氧化石墨烯和纤维的协同组装提供基础；步骤（4）中所使用的匀浆机的工作转速为10000~13000 rpm，处理时间为10~30 min；步骤（6）中所述的氧化聚丙烯腈纳米纤维‑氧化石墨烯混合分散液的氧化石墨烯浓度为1~4 mg/mL，氧化聚丙烯腈纳米纤维的浓度为2~4 mg/mL；步骤（6）中协同组装过程进行的条件为：常温下机械搅拌4~6 h，超声2~3 h，再机械搅拌4~6 h；在该组装过程中，氧化石墨烯片和氧化聚丙烯腈短纤通过氢键相互作用，形成稳定的多孔三维网络结构；步骤（7）中氧化聚丙烯腈纳米纤维‑氧化石墨烯气凝胶的碳化条件为：以5~10℃/min的升温速率从室温升到600~800℃，并保持1~2 h，然后自然降温。