一种半弧形一维碳结构及其制备方法技术

本申请涉及纳米碳材料技术领域，更具体地说，它涉及一种半弧形一维碳结构及其制备方法。所述一维碳结构利用高温热解高聚合度二氧化硅溶胶包覆的聚丙烯腈纤维制得，通过将聚丙烯腈(PAN)和N,N

【技术实现步骤摘要】
一种半弧形一维碳结构及其制备方法


[0001]本申请涉及纳米碳材料
，更具体地说，它涉及一种半弧形一维碳结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]构建结构新颖的纳米碳对于纳米技术、电子学、光学和生物医学的发展至关重要。碳具有不同形式的同素异形体，目前广泛应用于锂离子电池、超级电容器、传感器、太阳能电池、催化载体以及纳微电子器件等领域研究。合成、分离新的不同维数新结构碳是过去二三十年研究的焦点，科学家们先后发现了三维富勒烯、一维碳纳米管和二维石墨烯等新的碳同素异形体，这些材料均成为了国际学术研究的前沿和热点。碳材料可以按照维度进行分类，其中碳纤维、碳纳米管和碳纳米线属于一维碳材料的范畴。日本科学家在1991年在对样品进行透射电镜观察时发现了由石墨烯片组成的一个空心管状结构，后该材料被称为碳纳米管或Bucky管。碳纳米管是一维纳米材料，由于其独特的中空结构、高长径比、化学稳定性、良好的机械、导电和光学性能，是基础研究和应用开发的重要对象，在过去的十年里，碳纳米管技术在全世界范围内迅速发展。
[0003]碳纳米管一般呈中空管状结构，通常情况下，碳纳米管两端封闭，而实验研究表明碳纳米管端口的帽状部分由于出现了五角形结构且弯曲率较大使其活动能力更强。在催化剂(如Pb等)的作用下用硝酸可使管口在低温(400℃)左右打开，或直接在空气中加热至700℃，使其顶部发生氧化也可以打开管口。除此以外，美国两个研究小组证明通过纵向打开碳纳米管可以生产各种宽度的石墨烯带，美国莱斯大学的一个研究小组利用硫酸和氧化剂，通过化学方法在碳纳米管上生成一个孔。这个孔沿着碳纳米管的一侧扩展，将碳纳米管打开，形成一个平面石墨烯带。石墨烯带的宽度取决于碳纳米管的直径。研究人员认为，这种类型的石墨烯带可以用作导电或半导体薄膜，并有可能成为光伏单晶硅的一种廉价的替代物。然而，这种制备方法使得人们难以准确地将单个石墨烯带放置在衬底上，因而很多装置的制作都将极具挑战。斯坦福大学的一个研究小组则把碳纳米管放在硅衬底上，外层涂上聚合物，并进行加热。然后，他们剥落聚合物，将这种聚合物
‑
碳纳米管材料在氩等离子体中暴露一定时间，一些露出的碳纳米管将被切成石墨烯带。更长时间的暴露可以切开深埋在聚合物涂层中的碳纳米管。聚合物溶解后，就只剩下石墨烯带。这种加热和切割法可以制备出边缘相对清晰、缺陷更少的石墨烯带，其导电性能得到优化。
[0004]制备新型碳材料一直是材料领域的前沿科学问题，每一种新型碳材料的发现都引发材料学家的研究热潮，目前关于半弧形一维碳结构的发现及其制备方法未见报道，作为一种新形式的碳结构，其具有显著的各向异性，其结构与物性之间的关联。

技术实现思路

[0005]本公开提供了一种半弧形一维碳结构及其制备方法，其主要原理为利用高温热解高聚合度二氧化硅溶胶包覆的聚丙烯腈纤维制得，首先利用正硅酸乙酯水热制备高聚合度
二氧化硅溶胶，通过将聚丙烯腈和N,N
‑
二甲基甲酰胺均匀混合得到聚丙烯腈纺丝前驱体溶液，利用静电纺丝工艺纺制前驱体聚丙烯腈纤维，使用高聚合度的二氧化硅溶胶浸渍聚丙烯腈纤维，室温干燥后在氮气环境中高温烧结，最后通过氢氟酸刻蚀表面的二氧化硅、再经过去离子水清洗后，干燥得到所述一维碳结构，所述一维碳结构经扫描电镜表征为半弧形，本文的制备方法为一维碳材料的结构受控合成提供了技术支撑。
[0006]为了达到上述目的，本申请采用了如下技术方案：
[0007]一种半弧形一维碳结构及其制备方法，主要包括以下步骤：将正硅酸乙酯与水和乙醇混合溶液按一定比例混合进行加热回流，充分水解后得到一定聚合度的二氧化硅溶胶；将一定分子量的聚丙烯腈溶于N,N
‑
二甲基甲酰胺溶液中，充分搅拌完全溶解至无色透明状，制得聚丙烯腈纺丝液；将所述聚丙烯腈纺丝液通过静电纺丝工艺，制备得到聚丙烯腈纤维前驱体；将所述聚丙烯腈体纤维纤维前驱体用高聚合度二氧化硅溶胶浸渍，然后在氮气中高温烧结得到包裹二氧化硅陶瓷层的样品；将所述包裹二氧化硅陶瓷层的样品放在刻蚀溶液中浸泡后，用去离子水清洗干净，室温下自然干燥得到所述一维碳结构。
[0008]在本申请的技术方案中，取无水乙醇、去离子水正硅酸乙酯体积比优选为为1:3：6，搅拌使其均匀，加入盐酸调节PH值为3
‑
4，二氧化硅溶胶中二氧化硅的质量分数为5
‑
10％，所优选为7.8wt％。
[0009]在本申请的技术方案中，所述纺丝液中聚丙烯腈和所述N,N
‑
二甲基甲酰胺的质量比为1：8.5
‑
9。聚丙烯腈的分子量为5万，15万与25万，优选为25万；
[0010]在本申请的技术方案中，电纺制备聚丙烯腈纤维前驱体，首先用针管抽取配置好的纤维纺丝液，并置于注射泵上，设置合适的注射泵推进速率，将高压电源的正极接入出液处，将高压电源的负极接入具有合适接受距离的铝板上，检查装置连接情况，设定推进速率并按下自动推进按钮，观察出液情况，开启电源将数值调节，待装置一切稳定后开始进行纤维前驱体接收；所述电纺工艺参数为：所述聚丙烯腈纺丝液出液速度为0.5
‑
1ml/h，优选为0.6ml/h，电压为15
‑
20kV，优选为15kV，接收板和喷头之间距离为15
‑
20cm，优选为15cm。
[0011]在本申请的技术方案中，包裹二氧化硅陶瓷层的聚丙烯腈纤维样品的高温烧结温度为900
‑
1200℃，优选为1200℃；高温烧结的时间为0.5
‑
2h，优选为0.5h。
[0012]在本申请的技术方案中，所述刻蚀溶液为酸性溶液或碱性溶液，所述酸性溶液为氢氟酸溶液，所述碱性溶液为NaOH溶液，优选为氢氟酸溶液，其质量分数为10
‑
40％，优选为20％，刻蚀时间为48h。
[0013]在本申请的技术方案中，刻蚀后的样品用离子水清洗干净，室温下自然干燥样品。
[0014]在本申请的技术方案中，所述试剂包括去离子水、乙醇有机溶剂、N,N
‑
二甲基甲酰胺、正硅酸乙酯、聚丙烯腈粉末。
[0015]在本申请的技术方案中，所述的聚丙烯腈纤维通过静电纺丝工艺。
[0016]在本申请的技术方案中，所述一维碳结构为半弧形，结构清晰，直径大小为200
‑
400nm。
[0017]综上所述，本申请具有以下有益效果：
[0018]1、本申请利用高温热解高聚合度二氧化硅溶胶包覆的聚丙烯腈纤维，进而实现一种新的一维碳结构的制备，静电纺丝作为一种新型纤维制备技术，可以制备纤细度可调的聚丙烯腈纤维，其直径可以在几纳米到几十微米之间调节且纤维均一性好。通过搅拌，聚丙
烯腈可溶于N,N
‑
二甲基甲酰胺溶液中，可以用于配制不同分子量与不同浓度的纺丝液。静电纺丝制备的聚丙烯腈纤维膜比表面积大、孔隙率高，有利于二氧化硅溶胶的包覆。
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半弧形一维碳结构，其特征在于，所述一维碳结构利用高温热解高聚合度二氧化硅溶胶包覆的聚丙烯腈纤维制得，通过将聚丙烯腈(PAN)和N,N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)均匀混合得到聚丙烯腈纺丝前驱体溶液，利用静电纺丝工艺纺制纤维前驱体，使用高聚合度的二氧化硅(SiO2)溶胶浸渍所述纤维前驱体，然后在氮气环境中高温烧结，最后通过刻蚀、去离子水清洗后，干燥得到所述一维碳结构，所述一维碳结构为半弧形。2.根据权利要求1所述一种半弧形一维碳结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)配制纺丝液：将聚丙烯腈(PAN)和N,N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)混合均匀至无色透明状，制得聚丙烯腈纺丝液；(2)将所述聚丙烯腈纺丝液通过静电纺丝工艺，制备得到聚丙烯腈纤维前驱体；(3)将所述聚丙烯腈体纤维纤维前驱体用高聚合度SiO2溶胶浸渍，然后在氮气中高温烧结得到包裹SiO2陶瓷层的样品；(4)将所述包裹SiO2陶瓷层的样品放在刻蚀溶液中浸泡后，用去离子水清洗干净，室温下自然干燥得到所述一维碳结构。3.根据权利要求2所述一种半弧形一维碳结构的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述聚丙烯腈和所述N,N
‑
二甲基甲酰胺的质量比为1：8.5
‑
9。4.根据权利要求2所述一种半弧形一维碳结构的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述聚丙烯腈的分子量为250K，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕海宝，李建军，罗源，李经纬，王聪，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：