一种自支撑碳纤维网络的合成方法技术

本发明专利技术公开了一种自支撑碳纤维网络的合成方法，包括以下步骤：(1)选取从禽类蛋壳上脱离下来的禽类蛋膜；(2)将步骤(1)中的禽类蛋膜，加入酸液中浸泡后，采用去离子水和有机溶剂反复清洗；(3)将步骤(2)中清洗后的禽类蛋膜采用夹具固定在夹具中间，调节好温度在保护气体中保护碳化后，即制得自支撑碳纤维网络。该方法工艺简单、易于操作控制、成本低、是极适合于大规模工业化生产的方法，而且采用本发明专利技术方法制备的自支撑碳纤维网络储钠性能优异。

【技术实现步骤摘要】
一种自支撑碳纤维网络的合成方法
本专利技术属于钠离子电池
，具体涉及一种自支撑碳纤维网络的合成方法。
技术介绍
锂离子电池负极材料在便携式电子产品中受到广泛关注，但由于锂资源的限制，无法在电动汽车广泛普及以及在大型储能装置长期应用，金属钠为金属锂的同族元素，之间的性质非常接近，而钠离子在海洋中储备非常丰富，使用钠离子电池将极大的节约成本，利于广泛推广使用，然而使用石墨作为钠离子电池的负极材料因为动力学热力学方面的原因，使得钠离子难以脱嵌，造成首次不可逆容量损失大和容量低等缺点，这极大的限制了在电动汽车中的应用。碳化禽类蛋膜具有高于300mAh/g的可逆容量，接近于石墨电极在锂离子电池的容量，这种原材料成本低、来源丰富，且属于可再生的生物材料，绿色环保，将它运用于钠离子电池负极，具有循环寿命长、容量高的优点。因此，碳化禽类蛋膜是一种理想的动力电池负极材料。它的自支撑的三维结构将有助于提高电子传导速率和减小钠离子在电极材料中的扩散路径。已报道的高温碳化的禽类蛋膜作为钠离子电池电极的方法有在相对低温下碳化磨浆料法，在现有的合成方法中，首先，热处理温度较低，无法有效全部发挥材料的储钠性能。其次是制作电极工艺较为传统，使用磨浆料的方法来制备电极，其中涉及到集流器铜箔的使用，导致电池整体质量上升，影响电池的能量密度；还涉及到浆料中添加剂的使用，制备复杂，导致电池制造成本的上升。在其他涉及到碳纤维作为钠离子电池的负极材料的工艺当中，氧化模板组装法(Nanoscale,2014,6,1384–1389)，工艺复杂，不利于生产，还需要用到强碱来处理碳纤维，高浓度废液对环境也不友好。另外专利(CN201611136195.8)利用共沉淀法得到酚醛树脂前驱体，使用酚单体和醛单体进行缩聚反应，原料成本高且反应不完全。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种自支撑碳纤维网络的合成方法，该合成方法工艺简单、易于操作控制、成本低、电化学性能优异。本专利技术的上述目的是通过以下技术方案来实现的：一种自支撑碳纤维网络的合成方法，包括以下步骤：(1)选取从禽类蛋壳上脱离下来的禽类蛋膜；(2)将步骤(1)中的禽类蛋膜，加入酸液中浸泡后，采用去离子水和有机溶剂反复清洗；(3)将步骤(2)中清洗后的禽类蛋膜采用夹具固定在夹具中间，调节温度为900℃～2000℃在保护气体作用下碳化0.5～40h，即制得自支撑碳纤维网络。在上述自支撑碳纤维网络的合成方法中：步骤(1)中的禽类蛋膜是本专利技术所用的核心材料，其为生活中的常见废料禽类蛋壳上剥离出的禽类蛋膜。禽类蛋膜一般包括鸡、鸭、鹅、鸽子、鹌鹑等的蛋膜。该禽类蛋膜可以采用酸液浸泡的方式，将禽类蛋膜从蛋壳中脱落下来，酸液与下文中去除蛋膜上多余的碳酸钙的酸液可以相同。步骤(2)中所述的酸液优选为盐酸、醋酸、草酸、硝酸和硫酸中的一种或几种。这些酸液的浓度不做限定，只要能去除禽类蛋膜上残余的碳酸钙(来自禽类蛋壳)等杂质即可。步骤(2)中所述的有机溶剂优选为甲醇、乙醇、乙二醇、四氯化碳、丙酮、氯苯和醋酸甲酯中的一种或几种。有机溶剂主要作用是为去除禽类蛋膜表面的残留的蛋清等蛋白质。步骤(3)中所述的夹具主要由两块以上平整的耐高温平板制成。所述的平板的材质优选为石墨片、陶瓷片或其它耐高温材料。所述的其它耐高温材料可以是耐火砖、钨金属片、刚玉片等。步骤(3)中所述的保护气体优选为惰性气体和/或还原性气体。所述的惰性气体包括但不限于氩气、氦气、氖气、氪气、氙气和氮气中的一种或几种。所述的还原性气体优选包括氢气、氨气和甲烷等中的一种或几种。本专利技术将收集的禽类蛋膜在高温下采用气氛保护碳化一定时间，最终得到自支撑碳纤维网络的电极材料。本专利技术核心方法是借助禽类蛋膜的交叉网络纤维结构，并借助于平直的夹具(如石墨片等)用于固定禽类蛋膜，通过气氛保护煅烧，使禽类蛋膜的碳纤维和少量残留的蛋白质裂解为碳，形成碳纤维网络。本专利技术通过交叉网络纤维结构来提升材料的导电性能，并表现出优异的储钠性能。本专利技术具有如下优点：(1)本专利技术制备方法利用禽类蛋膜的本身自支撑的特征，只用固定好禽类蛋膜后碳化的方式即可实现碳纤维网络结构的制备，工艺简单、材料低廉，是极适合于大规模工业化生产的方法；(2)本专利技术方法以高温碳化的禽类蛋膜为钠离子电池自支撑负极材料，提供了一种储钠性能优异的自支撑碳纤维网络的电极材料；(3)本专利技术合成的电极材料通过碳纤维的交叉网络结构提升材料的导电性能，钠离子可通过不同直径的碳纤维径向减小扩散路径，从而在钠离子电池应用中表现出优异的储钠性能，远超出一般文献(Adv.EnergyMater.2012,2,873–877)中关于硬碳储钠材料的报道；(4)采用本专利技术中的方法，禽类蛋膜碳化形成的碳纤维网络可以形成自支撑结构，避免集流器如铜箔等的使用，这将降低电池的成本，提升电池的能量密度。附图说明图1为本专利技术实施例1中制备的碳纤维网络的扫描电镜图；图2为本专利技术实施例1中制备的碳纤维网络的XRD图谱；图3为本专利技术实施例1中制备的碳纤维网络的RAMAN图谱；图4为本专利技术实施例1中制备的碳纤维网络在20mA/g电流密度下充放电的充放电曲线；图5为本专利技术实施例1中制备的碳纤维网络在100mA/g电流密度下充放电之间的循环性能曲线。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术要求保护的范围如夹具装置、碳化时间、碳化处理温度、不同成分的热处理气氛不局限于实施例所举。实施例1本实施例提供的自支撑碳纤维网络的合成方法，包括以下步骤：(1)选取带膜鸡蛋壳，将鸡蛋壳浸泡到酸液中，去除蛋壳，获得鸡蛋膜；(2)将步骤(1)鸡蛋膜收集到1000mL的烧杯中，加入200mL盐酸和800mL的去离子水，浸泡24小时后，再次用去离子水和无水乙醇反复清洗；(3)将步聚(2)样品用两块或多块石墨片固定在中间，在1300℃下采用氩气保护碳化2小时，最终得到自支撑碳纤维网络；(4)将步聚(3)所得到自支撑碳纤维网络进行材料表征，结果如图1-3所示。图1所示为自支撑碳纤维网络的扫描电镜图片，碳纤维直径为100nm～1.5μm。图2所示为自支撑碳纤维网络的XRD衍射图谱，从图2中可以看出所标注的晶面衍射峰均与石墨的晶面相对应(JCPDF41-1487)。图3所示为碳纤维网络的RAMAN图谱，由图3中可以看出在气氛保护下碳化样品，合成过程中碳纤维和少量蛋白质裂解为碳，出现了石墨G峰和表明无序的石墨D峰。(5)将步聚(3)所得自支撑碳纤维网络进行电化学性能表征，结果如下：直接将自支撑碳纤维网络用作工作电极，无需磨浆料，以金属钠片作为对电极，采用的电解液为1MNaClO4的体积比为1：1的EC：DEC溶液，在手套箱中组装成型号为CR2032的纽扣电池，并进行了电化学性能测试。图4是在20mA/g电流密度下的充放电曲线，从图4中可以看出，首次放电和充电比容量分别是351mAh/g和298mAh/g，对应的首次库仑效率是84.7％，第2，5和100次的放电和充电比容量分别是308mAh/g和300mAh/g，306mAh/g和300mAh/g和299mAh/g和297mAh/g，对应的库仑效率分别是97％，98％，99％。图5是100mA/g电流密度下之间的循环性能曲线，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自支撑碳纤维网络的合成方法，其特征是包括以下步骤：(1)选取从禽类蛋壳上脱离下来的禽类蛋膜；(2)将步骤(1)中的禽类蛋膜，加入酸液中浸泡后，采用去离子水和有机溶剂反复清洗；(3)将步骤(2)中清洗后的禽类蛋膜采用夹具固定在夹具中间，调节温度为900℃～2000℃在保护气体作用下碳化0.5～40h，即制得自支撑碳纤维网络。

【技术特征摘要】
1.一种自支撑碳纤维网络的合成方法，其特征是包括以下步骤：(1)选取从禽类蛋壳上脱离下来的禽类蛋膜；(2)将步骤(1)中的禽类蛋膜，加入酸液中浸泡后，采用去离子水和有机溶剂反复清洗；(3)将步骤(2)中清洗后的禽类蛋膜采用夹具固定在夹具中间，调节温度为900℃～2000℃在保护气体作用下碳化0.5～40h，即制得自支撑碳纤维网络。2.根据权利要求1所述的自支撑碳纤维网络的合成方法，其特征是：步骤(2)中所述的酸液为盐酸、醋酸、草酸、硝酸和硫酸中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的自支撑碳纤维网络的合成方法，其特征是：步骤(2)中所述的有机溶剂为甲醇、乙醇、乙二醇、四氯化碳、丙酮、氯苯和醋酸甲酯中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的自支撑碳纤维网络的合成...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘勇，赵迅，许祺，丁元，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44