一种纺锤形碳纳米管纤维及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种纺锤形碳纳米管纤维及其制备方法，属于碳纳米管纤维制备的技术领域。其中制备方法包括：提供一维的有捻碳纳米管纤维，将其贯穿液

【技术实现步骤摘要】
一种纺锤形碳纳米管纤维及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种纺锤形碳纳米管纤维及其制备方法，属于碳纳米管纤维制备的


技术介绍

[0002]碳纳米管具有良好的电导性、导热性、高抗拉强度、韧性大，是纳米
中的一种重要材料。碳纳米管纤维是碳纳米管的宏观集合体，其中纳米管紧密排列，因此具有超高的机械强度和导电性。碳纳米管纤维呈现紧密的一维圆柱形结构，具有小尺寸、变形抵抗的特点，被广泛用作穿戴设备领域中的柔性导电材料，例如超级电容器或生化传感器中的电极。但是在实际使用中，以碳纳米管纤维作为电极材料，反应电解液只能接触到圆柱形表面的碳纳米管而无法利用内部的碳纳米管纤维，从而降低了电化学电容的能量密度或者生化传感器的灵敏度。
[0003]现有技术中已经研究出一些提高碳纳米管纤维比表面积的方法。例如，使用其他多孔材料与碳纳米管合成混合纤维。或者，制备“芯
‑
壳”结构，以碳纳米管纤维为内芯，以沉积的多孔功能材料作为外壳，实现电极表面积的增加。或者，在碳纳米管纤维上构建两级三维结构，首先在碳纳米管纤维表层垂直生长第一级纳米材料，再在第一级纳米材料上垂直生长第二层纳米材料，从而提高复合电极的比表面积。
[0004]但是，这些技术并未从本质上开发出碳纳米管纤维内部埋藏的碳纳米管，所构建的多级三维结构或者功能层降低了碳纳米管纤维对变形扭曲的机械稳定性，活性材料的负载阻碍了电解液离子的扩散，增加电极内阻，并且技术步骤繁杂、耗时长、材料成本高。因此，如何开发出一种独立碳纳米管被高效利用的碳纳米管纤维成为了碳纳米管纤维在电化学领域中应用的关键技术难题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种纺锤形碳纳米管纤维及其制备方法，以克服现有碳纳米管纤维中独立碳纳米管利用率的不足。
[0006]本专利技术所采用的具体技术方案如下：
[0007]第一方面，一种纺锤形碳纳米管纤维的制备方法，具体如下：
[0008]基于电化学系统，以一维碳纳米管纤维作为工作电极且贯穿液
‑
气两相界面，向工作电极施加负电压，使电解液中的氢离子被还原为氢气并产生气泡；在该过程中，位于液
‑
气界面处的碳纳米管纤维发生氢离子还原反应，产物氢气气泡的溢出使液
‑
气界面产生高效的析氢反应，在液
‑
气界面处大量氢气气泡的溢出使得碳纳米管纤维内部缠绕或者紧密排列的碳纳米管分离，从而获得局部膨胀的碳纳米管纤维，得到纺锤形碳纳米管纤维。
[0009]作为优选，所述电化学系统为两电极系统或三电极系统。
[0010]作为优选，所述一维碳纳米管纤维竖直放入电解液中，且至少1/2部分浸入电解液。
[0011]作为优选，所述电解液为盐酸、硫酸、高锰酸或高氯酸中的至少一种。
[0012]进一步的，电解液优选采用浓度为1M的硫酸溶液。
[0013]作为优选，制备过程中施加的电压为
‑
1V～
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10V。
[0014]进一步的，制备过程中施加的电压优选为
‑
2V～
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7V。
[0015]作为优选，制备过程中施加电压的持续时间<1min。
[0016]作为优选，所述一维碳纳米管纤维的一端用导电银浆与无漆包线的铜线连接，进而连接电源负极。
[0017]作为优选，所述一维碳纳米管纤维的直径为60μm。
[0018]作为优选，所述电化学系统为两电极系统，包括直流电压源、敞口容器、参考电极和工作电极；所述敞口容器内盛有电解液，参考电极和工作电极均部分浸入电解液中；直流电压源的负极与工作电极相连，正极与参考电极相连，以构成电化学反应体系。
[0019]第二方面，本专利技术提供了一种利用第一方面任一所述制备方法得到的纺锤形碳纳米管纤维，纺锤形结构的直径为毫米级别，包含多层的碳纳米管网络，其具有微米级的孔径，所述纺锤形碳纳米管纤维的体积为原始一维碳纳米管纤维的1000倍及以上。
[0020]本专利技术相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
[0021](1)本专利技术是基于液
‑
气界面的高效析氢反应实现的，通过气泡的移动、融合以及溢出等动作来实现碳纳米管纤维内部聚集的碳纳米管分离或者解束，从而获得纺锤形碳纳米管纤维，是利用“从下至上”的逻辑对碳纳米管纤维进行再次三维构造，巧妙而简单。
[0022](2)本专利技术是通过施加负电压控制氢气气泡产生量，从而控制液
‑
气界面的碳纳米管纤维膨胀状态(从轻微膨胀到完全膨胀)，所需的实验装置简单、操作简便、且耗时少。
[0023](3)本专利技术是基于氢离子电化学还原生成的氢气气泡，不同于氧化反应法对碳基材料的完全膨胀，前者可以实现碳纳米管纤维在液
‑
气界面的局部膨胀，且得到的纺锤形碳纳米管纤维仍保持良好电学性能、力学性能和稳定的化学性质。
[0024](4)本专利技术实现的纺锤形碳纳米管纤维由三个部分组成，纵向上依次为纤维状
‑
纺锤形状
‑
纤维状，所得的纺锤形结构是由原本埋藏在碳纳米管纤维内部的碳纳米管暴露形成的，因而提高了碳纳米管纤维对碳纳米管的利用率，且在无其他材料负载的情况下得到了更多的表面面积，且所得的纤维状结构便于挟持或与电源电器连接，可作为电流收集器。
[0025](5)本专利技术所实现的纺锤形碳纳米管纤维的纺锤形结构因比表面积增加获得了更高阻值，具有增强的焦耳效应，可以通过程控电压实现纺锤形结构的快速升温/降温循环，在相同电压下，纺锤形结构比原始碳纳米管纤维能达到更高的温度和更快的散热过程。
附图说明
[0026]图1是本专利技术一典型实施例中一种纺锤形碳纳米管纤维的制备装置示意图；
[0027]图2是本专利技术一典型实施例中一种纺锤形碳纳米管纤维的形成机理及方法流程图；
[0028]图3是本专利技术实施例1中的氢气气泡运动对缠绕碳纳米管的分离过程图；
[0029]图4a是对比例1中的原始碳纳米管纤维的光学照片，图4b
‑
d是各阶段纺锤形碳纳米管纤维的光学照片，图e是纺锤形碳纳米管纤维的光学照片；
[0030]图5a和图5b分别是对比例1中原始碳纳米管纤维和实施例1中的纺锤形碳纳米管
纤维的扫描电镜照片；
[0031]图6a和图6b分别是本专利技术实施例1中纺锤体结构截面及碳纳米管网络结构的扫描电镜照片；
[0032]图7是本专利技术实施例1中纺锤形碳纳米管纤维和对比例1中的原始碳纳米管纤维的应变应力曲线；
[0033]图8是本专利技术实施例1中纺锤形碳纳米管纤维与对比例1中原始碳纳米管纤维的CV曲线；
[0034]图9a是本专利技术实施例1中纺锤形碳纳米管纤维与对比例1原始碳纳米管纤维的对比电化学阻抗谱(EIS)曲线，图9b是图9a中纺锤形碳纳米管纤维的放大的电化学阻抗谱(EIS)曲线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纺锤形碳纳米管纤维的制备方法，其特征在于，具体如下：基于电化学系统，以一维碳纳米管纤维作为工作电极且贯穿液
‑
气两相界面，向工作电极施加负电压，使电解液中的氢离子被还原为氢气并产生气泡；在该过程中，位于液
‑
气界面处的碳纳米管纤维发生氢离子还原反应，产物氢气气泡的溢出使液
‑
气界面产生高效的析氢反应，在液
‑
气界面处大量氢气气泡的溢出使得碳纳米管纤维内部缠绕或者紧密排列的碳纳米管分离，从而获得局部膨胀的碳纳米管纤维，得到纺锤形碳纳米管纤维。2.根据权利要求1所述的纺锤形碳纳米管纤维的制备方法，其特征在于，所述电化学系统为两电极系统或三电极系统。3.根据权利要求1所述的纺锤形碳纳米管纤维的制备方法，其特征在于，所述一维碳纳米管纤维竖直放入电解液中，且至少1/2部分浸入电解液。4.根据权利要求1所述的纺锤形碳纳米管纤维的制备方法，其特征在于，所述电解液为盐酸、硫酸、高锰酸或高氯酸中的至少一种，优选采用浓度为1M的硫酸溶液。5.根据权利要求1所述的纺锤形碳纳米管纤维的制备方法，其特征在于，制备过程中施加的电压为<...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁波，周悦，叶学松，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：