一种氮氧磷共掺杂生物质基碳纳米纤维电极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高性能氮氧磷共掺杂生物质基碳纳米纤维电极材料的制备方法，具体为：将木质素与MDI聚合反应获得聚合木质素，随后经过有机溶剂分级萃取获得具有不同结构特征的木质素样品，将聚合分级后的木质素进行磷化处理后制备生物质基碳纳米纤维电极。本发明专利技术制备方法制备的生物质基碳纳米纤维电极电极材料，具有优异的电化学性能，可广泛应用于高功率与能源存储领域。功率与能源存储领域。功率与能源存储领域。

【技术实现步骤摘要】
一种氮氧磷共掺杂生物质基碳纳米纤维电极材料的制备方法


[0001]本专利技术属于生物质基碳纳米纤维电极材料制备
，具体涉及一种氮氧磷共掺杂生物质基碳纳米纤维电极材料的制备方法。

技术介绍

[0002]科技的发展和社会的进步离不开能源的消耗，而地球上不可再生资源的总量是有限的。如今，化石燃料短缺、环境污染现象以及能源枯竭等问题已引起众多起科研工作者的广泛关注。针对日益增长的能源需求与化石资源消耗之间的矛盾，开发新技术，将能源供应转向可持续的可再生能源对国家经济的可持续发展有着重要的意义。
[0003]碳纳米纤维是一种含碳量在95%以上高强度、低密度、高模量、耐腐蚀的增强材料，在民用、军工和商业领域内具有广泛的应用前景，同时由于其直径为纳米尺度且表面通常具有丰富的多孔结构，使其成为制备高性能超级电容器的首选材料。然而，当前市场流通的主流碳纳米纤维主要以聚丙烯腈为原料制备而成，其高昂的制备成本限制了其在民用及储能领域的进一步发展和应用。以可再生的生物质资源替代日益减少的化石能源将成为未来可持续发展的必要条件。
[0004]木质素作为制浆造纸行业的主要副产物，是自然界中唯一含有苯环结构的天然生物高分子材料。其高含碳量、丰富的芳香烃结构及优异的热稳定性均被认为是制备生物质基碳纳米纤维的理想原材料。然而，木质素结构较为复杂多样，其化学空间结构的非线性使其难以保持良好的可加工性。同时，木质素的分子量分布较广，分子量低的木质素在热处理加工过程中难以维持碳纳米纤维的原有形貌结构，导致其使用性能较差。
专利
技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种氮氧磷共掺杂生物质基碳纳米纤维电极材料的制备方法，制备出的电极材料具有优良的电化学性能。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是：一种氮氧磷共掺杂生物质基碳纳米纤维电极材料的制备方法，包括如下步骤：（1）将木质素溶于N
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N二甲基甲酰胺中，搅拌溶解，然后加入4,4
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二苯基甲烷二异氰酸酯在60℃下反应获得聚合木质素；（2）将步骤（1）得到聚合木质素用乙酸乙酯、丙酮和四氢呋喃依次萃取，将萃取液干燥，依次得到乙酸乙酯相木质素(MEL)、丙酮相木质素(MAL)、四氢呋喃相木质素(MTL)，其中四氢呋喃萃取后的固体残渣为残渣相木质素(MRL)；（3）将步骤（2）得到的乙酸乙酯相木质素(MEL)、丙酮相木质素(MAL)、四氢呋喃相木质素(MTL)或残渣相木质素(MRL)分别溶解于溶剂中，随后加入磷酸进行磷酸化处理，得生物质基碳纳米纤维纺丝液，随后将生物质基碳纳米纤维纺丝液进行静电纺丝，制得前躯体纤维，最后将前躯体纤维进行热加工处理，制得生物质基碳纳米纤维电极材料。
[0007]进一步地，步骤（1）中，萃取液干燥的方式为先旋转蒸发，然后真空干燥。
[0008]进一步地，步骤（3）中，所述溶剂为丙酮和N，N
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二甲基乙酰胺混合溶液。优选地，所述丙酮和N，N
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二甲基乙酰胺的体积比为1:1。
[0009]进一步地，步骤（3）中，所述磷酸加入量为木质素质量的10～50％。
[0010]进一步地，步骤（3）中，所述磷酸化处理反应温度为60℃，反应时间为6～12h。
[0011]进一步地，所述静电纺丝的电压为20
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25kV，接收距离为20
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30cm，接受棍转速500
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700r/min，纺丝溶液的推进速度为0.5
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1mL/h。
[0012]进一步地，所述热加工处理的方式为：先在空气氛围下进行预氧化：预氧化由室温开始，升温速率2℃/min，升温并保温在200℃下2h，得到预氧化纤维；然后进行碳化处理：将预氧化纤维在氮气氛围中，以10℃/min的升温速率，将温度升至800℃，然后保温1h后降温，取得生物质基碳纳米纤维电极材料。
[0013]本专利技术的有益效果是：本专利技术以生物质资源替代石油基聚合物为原料制备碳纳米纤维，木质素的聚合分级提取及磷化处理为碳纳米纤维提供了氮源和磷源，经过热处理加工后制备获得的生物质基碳纳米纤维可以保留部分氮氧磷元素，使生物质基碳纳米纤维不仅具有良好的形貌结构和较大的比表面积，同时兼具赝电容的电化学特征，提升生物质基碳纳米纤维的电化学性能，该方法简易、新颖、绿色环保。
附图说明
[0014]图1为本专利技术木质素聚合分级提取示意图。
[0015]图2为本专利技术实施方案1所得的生物质基碳纳米纤维电极材料的SEM图。
[0016]图3为生物质基碳纳米纤维电极进行三电极GCD测试结果图。
[0017]图4为本专利技术实施方案2所得的生物质基碳纳米纤维电极材料双电极测试CV曲线图。
[0018]图5为本专利技术实施方案3所得的生物质基碳纳米纤维电极材料双电极测试GCD曲线图。
[0019]图6为本专利技术实施方案3所得的生物质基碳纳米纤维电极材料能量密度与功率密度图。
具体实施方式
[0020]下面结合具体实施方式和附图对本专利技术进行详细说明。
[0021]本专利技术公开了一种氮氧磷共掺杂生物质基碳纳米纤维电极材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1、将木质素（OL）溶于N
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N二甲基甲酰胺（DMF）中，溶解搅拌，随后加入4,4
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二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）在60℃下反应获得聚合木质素（MOL）。
[0022]步骤2、将步骤（1）得到聚合木质素用乙酸乙酯、丙酮和四氢呋喃依次萃取，将萃取液干燥，依次得到乙酸乙酯相木质素(MEL)、丙酮相木质素(MAL)、四氢呋喃相木质素(MTL)和残渣相木质素(MRL)；步骤3、将聚合分级获得的木质素溶解于溶剂中，随后加入适量磷酸进行磷酸化处理，制得生物质基碳纳米纤维纺丝液，随后再将生物质基碳纳米纤维纺丝液进行静电纺丝，
制得前躯体纤维，最后将前躯体纤维进行热加工处理，制得生物质基碳纳米纤维材料。
[0023]本专利技术所述溶剂优选为丙酮和N，N
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二甲基乙酰胺混合溶液，体积比为1:1；进一步地，所述磷酸占木质素质量的10～50％，磷化改性处理的反应温度为30
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60℃，反应时间为6～12h。在该反应条件下，可以使磷酸与木质素中的酚羟基之间酯化反应更加充分，形成大量的磷脂键，在增加纺丝液可纺性的同时极大提升前驱体纤维的热稳定性能。
[0024]实施例11、将30 g木质素（OL）溶于300 mL N
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N二甲基甲酰胺（DMF）中，溶解搅拌2 h，随后加入3 g4,4
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二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）在60℃下反应12 h获得聚合木质素（MOL）。
[0025]2、将步骤1得到聚合木质素（MOL）首先倒入盛有乙酸乙酯烧杯中，室温下快速搅拌，从混合物中过滤不溶性残渣。滤渣用乙酸乙酯漂洗至无色。获得的滤液通过旋转蒸发和真空干燥得到乙酸乙酯相木质素(MEL)。将步骤1得到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮氧磷共掺杂生物质基碳纳米纤维材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将木质素溶于N
‑
N二甲基甲酰胺中，搅拌溶解，然后加入4,4
‑
二苯基甲烷二异氰酸酯在60℃下反应获得聚合木质素；（2）将步骤（1）得到聚合木质素用乙酸乙酯、丙酮和四氢呋喃依次萃取，将萃取液干燥，依次得到乙酸乙酯相木质素、丙酮相木质素、四氢呋喃相木质素，其中四氢呋喃萃取后的固体残渣为残渣相木质素；（3）将步骤（2）得到的乙酸乙酯相木质素、丙酮相木质素、四氢呋喃相木质素或残渣相木质素分别溶解于溶剂中，随后加入磷酸进行磷酸化处理，得生物质基碳纳米纤维纺丝液，随后将生物质基碳纳米纤维纺丝液进行静电纺丝，制得前躯体纤维，最后将前躯体纤维进行热加工处理，制得生物质基碳纳米纤维材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，萃取液干燥的方式为先旋转蒸发，然后真空干燥。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述溶剂为丙酮和N，N
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二甲基乙酰胺混合溶液。4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹其平，周军，王凤明，陈亮，戎丹云，戴孝林，刘荣平，
申请(专利权)人：扬州市职业大学扬州开放大学，
类型：发明
国别省市：