一种分级多孔的碳纳米纤维及其制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种分级多孔的碳纳米纤维及其制备和应用，本发明专利技术的制备方法通过调节金属有机框架ZIF

【技术实现步骤摘要】
一种分级多孔的碳纳米纤维及其制备和应用


[0001]本专利技术属于纳米纤维材料领域，特别涉及一种分级多孔的碳纳米纤维及其制备和应用。

技术介绍

[0002]为了应对全球能源危机和淡水资源稀缺的挑战，研究者致力于开发各种净水技术。传统海水淡化的方法包括蒸馏技术、反渗透膜技术、纳滤膜技术、电容去离子技术等。然而传统技术需要消耗大量的化石能源，成本高，对环境造成污染等问题。近年来，由于太阳能驱动的净水技术作为一种高效、环保的生产清洁水的方法而受到越来越多的关注，而光热材料在太阳能驱动的水净化技术中至关重要。碳纳米纤维材料因具有成本低、比表面高、吸光性能好、稳定的物理化学性质、使用寿命长、无污染等优点成为近年来的研究热点。
[0003]碳纳米纤维的结构多种多样，表面性能也各不相同，这使得碳材料的应用范围相当广泛，尤其是以多孔碳纳米纤维材料为代表。多孔碳纳米纤维材料不仅具有稳定性好、耐高温、耐酸碱、导电性好、吸附能力好等优良性能，还具有比表面积高、孔道结构丰富、孔径可调等特点，能作为电极材料应用于电池、超级电容器，也可以作气体分离或者存储的吸附剂，在净水领域同样应用广泛，可作为净水的光热材料，还可以在很多重要催化过程中用作催化剂载体，而用杂原子修饰的多孔碳材料本身就可以在许多反应中直接用作催化剂等。
[0004]目前制备多孔碳纳米纤维的方法以软模板法、硬模板法或者是将PMMA、氯化铵、偶氮二甲酸二异丙酯等造孔剂加入到纺丝原液中，通过煅烧造孔为主。但是通过统一的造孔剂得到的多孔碳纳米纤维的各种性能是固定的，例如比表面积，亲水性，粗糙度，孔径大小和孔径分布都是确定的。而各领域的应用针对多孔碳纳米纤维的需求是不一样的，从而限制了多孔碳纳米纤维的应用。因此开发一种比表面积，孔径大小及其分布，亲水性和氮含量及其氮种类可调的制备多孔碳纳米纤维的方法是具有非常重要的有意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种分级多孔的碳纳米纤维及其制备和应用。
[0006]本专利技术的一种碳纳米纤维的制备方法，包括：
[0007]将金属有机框架ZIF
‑
8纳米颗粒、有机溶剂混合，超声分散，得到分散液，然后加入聚丙烯腈，水浴搅拌，得到纺丝液，静电纺丝，在保护气体气氛下，碳化分两阶段：碳化第一阶段碳化温度400～550℃，升温速率1～3℃/min，恒温0.5～1.5h；碳化第二阶段碳化温度950～1050℃，升温速度3～5℃/min，恒温时间1～3h，自然冷却至室温，得到碳纳米纤维。
[0008]优选地，所述两种金属有机框架ZIF
‑
8纳米颗粒的平均粒径为40～70nm和120nm～160nm；
[0009]优选地，所述聚丙烯腈的分子量为10万～15万；进一步优选地，所述聚丙烯腈的分子量为15万。
[0010]优选地，所述有机溶剂为N,N二甲基甲酰胺、N,N
‑
二甲基乙酰胺、N
‑
甲基吡咯烷酮
中的一种或几种，进一步优选，选择N,N
‑
二甲基甲酰胺。
[0011]优选地，所述金属有机框架ZIF
‑
8纳米颗粒为平均粒径40～70nmZIF
‑
8和平均粒径120～160nm ZIF
‑
8的混合物；其中所述平均粒径40～70nm ZIF
‑
8和平均粒径120～160nmZIF
‑
8的质量比为3:1～1:3。通过加入两种不同尺寸的ZIF
‑
8纳米颗粒到纺丝液中，经过纺丝和碳化工艺，从而可以调控的碳纳米纤维膜的孔径(粗糙度)，比表面积，亲水性和含氮量。
[0012]进一步地，所述两种尺寸ZIF
‑
8是平均粒径60nm和平均粒径150nm，两种ZIF
‑
8比例优选质量比1:1。
[0013]所述金属有机框架ZIF
‑
8纳米颗粒制备包括：
[0014]将有机配体2
‑
甲基咪唑和六水硝酸锌分别溶解在无水甲醇中，迅速将两种溶液混合，静止12～36h，然后将溶液离心分离得到固体产物，洗涤(以无水甲醇洗涤2
‑
5次)后冷冻干燥，得到金属有机框架ZIF
‑
8纳米颗粒；其中通过等比例增加或缩小2
‑
甲基咪唑，六水硝酸锌和无水甲醇三种试剂用量的倍数，得到不同尺寸的金属有机框架ZIF
‑
8纳米颗粒。
[0015]优选地，所述有机配体2
‑
甲基咪唑与六水硝酸锌摩尔浓度比为10:1～3:1；进一步优选地，2
‑
甲基咪唑与六水硝酸锌摩尔浓度比为7:1。
[0016]优选地，所述等比例增加或者缩小2
‑
甲基咪唑，六水硝酸锌和无水甲醇三种试剂用量的倍数为1～1000倍，进一步优地，选择10～20倍。
[0017]优选地，所述金属有机框架ZIF
‑
8纳米颗粒、聚丙烯腈的质量比例为1:3～5:1，进一步优选地为2:1。
[0018]优选地，所述纺丝液中ZIF
‑
8纳米颗粒浓度质量百分浓度10％～35％，优选21％；聚丙烯腈质量百分浓度7％～15％，优选10％(浓度为质量分数浓度)。
[0019]优选地，所述静电纺丝的工艺参数：电压9～12kV，纺丝距离10～20cm，纺丝速度0.2～0.4ml/h，纺丝湿度为28～32％，温度20～30℃；进一步优选地，电压选择10KV，纺丝速度0.3ml/h，纺丝距离15cm。
[0020]优选地，所述加热搅拌温度为50～80℃，优选60℃；所述加热搅拌时间为2～6h，优选加热时间5h。
[0021]优选地，所述保护气体为氮气或者氩气；碳化分两阶段：碳化第一阶段碳化温度400～550℃，优选500℃，升温速率1～3℃/min，优选2℃/min，恒温时间0.5～1.5h，优选1h；碳化第二阶段碳化温度950～1050℃，优选温度950℃，升温速度3～5℃/min，优选升温速率5℃/min,恒温时间1～3h，优选恒温时间2h，自然冷却至室温，得到碳纳米纤维。
[0022]所述碳化工艺之前不需要进行预氧化工艺，预氧化工艺会降低氮含量，对碳纳米纤维的亲水性和应用性能都会造成影响。
[0023]进一步地，碳纳米纤维的制备方法包括：制备不同尺寸的金属有机框架ZIF
‑
8纳米颗粒；将两种不同尺寸ZIF
‑
8纳米颗粒和聚丙烯腈加入到有机溶剂中配制成均匀的纺丝液，然后进行静电纺丝得到ZIF
‑
8/聚丙烯腈纳米纤维薄膜；得到的纳米纤维膜在惰性气体气氛下分两个温度碳化，冷却后即得到所述的分级多孔的粗糙碳纤维材料。
[0024]本专利技术的一种所述方法制备的碳纳米纤维，所述碳纳米纤维为分级多孔纳米纤维，其中分级多孔碳纤维材料的平均粗糙度为20～本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米纤维的制备方法，包括：将金属有机框架ZIF
‑
8纳米颗粒、有机溶剂混合，超声分散，得到分散液，然后加入聚丙烯腈，水浴搅拌，得到纺丝液，静电纺丝，在保护气体气氛下，分两个碳化阶段，得到碳纳米纤维。2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述金属有机框架ZIF
‑
8纳米颗粒的平均粒径为40～160nm；所述聚丙烯腈的分子量为10万～15万；所述有机溶剂为N,N二甲基甲酰胺、N,N
‑
二甲基乙酰胺、N
‑
甲基吡咯烷酮中的一种或几种。3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述金属有机框架ZIF
‑
8纳米颗粒为平均粒径40～70nm ZIF
‑
8和平均粒径120～160nm ZIF
‑
8的混合物；其中所述平均粒径40～70nm ZIF
‑
8和平均粒径120～160nm ZIF
‑
8的质量比为3:1～1:3。4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述金属有机框架ZIF
‑
8纳米颗粒制备包括：将有机配体2
‑
甲基咪唑和六水硝酸锌分别溶解在无水甲醇中，将两种溶液混合，静止12～36h，离心分离得到固体产物，洗涤后冷冻干燥，得到金属有机框架ZIF
‑
8纳米颗粒...

【专利技术属性】
技术研发人员：王荣武，罗清亮，季东晓，覃小红，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：