一种纳米碳改性中空活性炭微管及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种纳米碳改性中空活性炭微管及其制备方法与应用。所述制备方法包括：将天然中空纤维浸渍于亲水性溶液中，再经干燥和脆断处理，获得亲水性中空纤维；之后将所获亲水性中空纤维真空浸渍于碳材料分散液中进行水热反应，再经后处理获得碳材料改性中空纤维；然后将所获碳材料改性中空纤维真空浸渍于活性剂水溶液中，再经高温活化炭化处理获得纳米碳改性中空活性炭微管。本发明专利技术制备的纳米碳改性中空活性炭微管具有比表面高积、孔结构发达、导电性好等优点，同时本发明专利技术制备的纳米碳改性中空活性炭微管于制备超级电容器、锂硫电池、太阳能电池等储能器件。

A hollow activated carbon microtubule modified by nano carbon and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种纳米碳改性中空活性炭微管及其制备方法与应用
本专利技术属于纳米材料
，具体涉及一种纳米碳改性中空活性炭微管及其制备方法与应用。
技术介绍
活性碳因其低成本、高比表面积、孔隙结构发达、表面化学丰富而成为超级电容器的热门电极材料。目前大量的工作研究采用天然生物质为碳源，采用氢氧化钾、磷酸等强的活化剂，通过惰性气体下高温炭化活化，制备高比表面积活性炭。天然生物质具有多种多样独特的结构形貌，是制备不同微观结构活性炭的模板。例如利用天然中空纤维为碳源和模板，制备具有独特中空空腔结构的活性炭微管。一维的中空空腔及管壁上发达的孔隙结构有利于提高超级电容器的倍率性能。然而由于在活性炭材料制备中的高温活化，虽然可以大幅度提高比表面积，但同时对生物质天然的微观结构破坏严重造成无序的孔结构且不利于活性炭导电性的提高。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种纳米碳改性中空活性炭微管及其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例提供了一种纳米碳改性中空活性炭微管的制备方法，其包括：将天然中空纤维浸渍于亲水性溶液中，再经干燥和脆断处理，获得亲水性中空纤维；将所获亲水性中空纤维真空浸渍于碳材料分散液中发生水热反应，再经后处理获得碳材料改性中空纤维；以及，将所获碳材料改性中空纤维真空浸渍于活性剂水溶液中，再经高温活化炭化处理获得纳米碳改性中空活性炭微管。本专利技术实施例还提供了前述方法制备的纳米碳改性中空活性炭微管，所述纳米碳改性中空活性炭微管包括纳米碳和中空活性炭微管，所述纳米碳通过物理和/或化学吸附在中空活性炭微管内壁和/或外壁。进一步的，所述纳米碳改性中空活性炭微管的比表面积为500-2500m2/g，孔径为1.5-10nm，电阻率为20-80Ω/m。本专利技术实施例还提供了前述纳米碳改性中空活性炭微管于制备储能器件中的用途。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：1)采用天然中空纤维生物质为碳源和模板，制备高比表面积、孔结构发达的中空活性炭微管；2)采用二维氧化石墨烯或一维预氧化单壁碳纳米管湿法自组装在天然中空纤维表面，一方面避免中空纤维结构在高温炭化活化过程中坍塌，有利于天然形貌的保持；另一方面经过高温炭化活化，二维氧化石墨烯或一维预氧化单壁碳纳米管还原为石墨烯或单壁碳管，有利于活性炭微管导电性的提高；3)制备的纳米碳改性中空活性炭微管具有天然中空一维结构、高的比表面积、发达的孔结构、优异的导电性、三维电子传输及离子传输路径，可直接应用于高倍率超级电容器；此为可作为导电碳骨架，与其他活性物质复合，应用在其他储能领域，包括锂硫电池、太阳能电池。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施例1制备的纳米碳改性中空活性炭微管应用于超级电容器中在不同扫描速率下的循环伏安曲线；图2是本专利技术实施例1制备的纳米碳改性中空活性炭微管应用于超级电容器中在不同电流密度下的倍率性能曲线；图3是本专利技术实施例2制备的纳米碳改性中空活性炭微管应用于锂硫电池中在0.1mV/s扫描速率下不同循环圈数的循环伏安曲线；图4是本专利技术实施例2制备的纳米碳改性中空活性炭微管应用于锂硫电池中在不同电流密度下的倍率性能曲线。具体实施方式鉴于现有技术的缺陷，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案，本专利技术主要是采用具有独特中空结构的天然纤维为模板和碳源，将二维氧化石墨烯或一维氧化单壁碳管湿法自组装在天然纤维中空结构内外表面，一方面避免纤维中空结构在高温炭化活化热解造孔过程中坍塌，另一方面有利于提高活性炭的导电性；所制备的纳米碳改性中空活性炭微管，具有独特中空结构、高比表面积及优异的导电性，可直接应用于高倍率超级电容器中。下面将对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术实施例的一个方面提供了一种纳米碳改性中空活性炭微管的制备方法，其包括：将天然中空纤维浸渍于亲水性溶液中，再经干燥和脆断处理，获得亲水性中空纤维；将所获亲水性中空纤维真空浸渍于碳材料分散液中进行水热反应，再经后处理获得碳材料改性中空纤维；以及，将所获碳材料改性中空纤维真空浸渍于活性剂水溶液中，再经高温活化炭化处理获得纳米碳改性中空活性炭微管。在一些较为具体的实施方案中，所述方法包括：将天然中空纤维浸渍于亲水性溶液中2-8h，之后经洗涤、干燥、液氮冷冻脆断和剪切处理，获得所述亲水性中空纤维。进一步的，所述亲水性溶液包括亚氯酸钠、氢氧化钠、无水乙醇中的任意一种或两种以上组合的水溶液，且不限于此。进一步的，所述亚氯酸钠水溶液的浓度为0.5-2wt％，尤其优选为1-2wt％。进一步的，所述无水乙醇的水溶液的浓度为10-50wt％。进一步的，所述氢氧化钠水溶的浓度为0.2-1wt％。进一步的，所述天然中空纤维包括具有天然中空结构的生物质。进一步的，所述天然中空纤维包括木棉、柳絮、棉花中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。进一步的，所述亲水性中空纤维的长度为100-1000μm。在一些较为具体的实施方案中，所述碳材料分散液包括预氧化单壁碳纳米管分散液、氧化多壁碳纳米管分散液、氧化石墨烯分散液中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。进一步的，所述氧化石墨烯分散液所含氧化石墨烯的层数为1-5层，尺寸为200-1000nm。进一步的，所述碳材料分散液还包括表面活性剂和去离子水。进一步的，所述表面活性剂包括二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、聚醚酰亚胺、乙二胺中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。在一些较为具体的实施方案中，所述方法包括：将所获亲水性中空纤维超声并真空浸渍于碳材料分散液中，于120-180℃进行水热反应5-10h，其中，真空浸渍能够确保碳材料分散液能够进入到亲水性中空纤维的中空空腔内，确保碳材料能够吸附在中空纤维空腔的内外壁。进一步的，所述亲水性中空纤维与所述碳材料分散液所含碳材料的质量比为80:20-98:2。进一步的，所述碳材料包括预氧化碳纳米管、氧化多壁碳纳米管、氧化石墨烯中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。在一些较为具体的实施方案中，所述方法包括：将所述碳材料改性中空纤维置于活性剂水溶液中，并于90-120℃真空浸渍4-12h；其中，真空浸渍能够确保活化剂能够充分吸附在碳材料改性中空纤维中空空腔内外壁，确保充分活化造孔。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米碳改性中空活性炭微管的制备方法，其特征在于包括：/n将天然中空纤维浸渍于亲水性溶液中，再经干燥和脆断处理，获得亲水性中空纤维；/n将所获亲水性中空纤维真空浸渍于碳材料分散液中进行水热反应，再经后处理获得碳材料改性中空纤维；/n以及，将所获碳材料改性中空纤维真空浸渍于活性剂水溶液中，再经高温活化炭化处理获得纳米碳改性中空活性炭微管。/n

【技术特征摘要】
1.一种纳米碳改性中空活性炭微管的制备方法，其特征在于包括：
将天然中空纤维浸渍于亲水性溶液中，再经干燥和脆断处理，获得亲水性中空纤维；
将所获亲水性中空纤维真空浸渍于碳材料分散液中进行水热反应，再经后处理获得碳材料改性中空纤维；
以及，将所获碳材料改性中空纤维真空浸渍于活性剂水溶液中，再经高温活化炭化处理获得纳米碳改性中空活性炭微管。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括：将天然中空纤维浸渍于浓度为亲水性溶液中2-8h，之后经洗涤、干燥、液氮冷冻脆断和剪切处理，获得所述亲水性中空纤维；
优选的，所述亲水性溶液包括亚氯酸钠、氢氧化钠、无水乙醇中的任意一种或两种以上组合的水溶液；优选的，所述亚氯酸钠水溶液的浓度为0.5-2wt％，尤其优选为1-2wt％；优选的，所述无水乙醇的水溶液的浓度为10-50wt％；优选的，所述氢氧化钠水溶的浓度为0.2-1wt％。


3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述天然中空纤维包括具有天然中空结构的生物质，优选为木棉、柳絮、棉花中的任意一种或两种以上的组合；
和/或，所述亲水性中空纤维的长度为100-1000μm。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳材料分散液包括预氧化单壁碳纳米管分散液、氧化多壁碳纳米管分散液、氧化石墨烯分散液中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述氧化石墨烯分散液所含氧化石墨烯的层数为1-5层，尺寸为200-1000nm；优选的，所述碳材料分散液还包括表面活性剂和去离子水；优选的，所述表面活性剂包括二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、聚醚酰亚胺、乙二胺中的任意一种或两种以上的组合。


5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水热反应的温度为120-180℃，时间为5-10h；
和/或，所述亲水性中空纤维...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永毅，曹玉芳，周涛，周世武，邸江涛，李清文，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所南昌研究院，
类型：发明
国别省市：江西;36