一种N掺杂多孔柔性碳纸及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种N掺杂多孔柔性碳纸及其制备方法和应用。本发明专利技术的N掺杂多孔柔性碳纸，由聚对苯撑苯并二噁唑纤维制备而成，所述碳纸具有层状结构，所述碳纸中，氮含量≥5.4wt％，所述碳纸的比表面积≥450m2/g，平均孔径为1μm～3μm，拉伸强度≥0.12MPa。本发明专利技术的N掺杂多孔柔性碳纸很好的柔性，而且具有较高的氮含量、合适的比表面积以及层状纤维结构，可以作为柔性锌空电池阴极材料，能够固定活性催化剂，防止柔性锌空电池充放电终止。防止柔性锌空电池充放电终止。防止柔性锌空电池充放电终止。

【技术实现步骤摘要】
一种N掺杂多孔柔性碳纸及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于高性能纤维及制品和复合材料
，具体涉及一种N掺杂多孔柔性碳纸及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]在传统化石能源不能满足人类需求的今天，能源的储存与转化技术得到越来越多的关注，例如金属
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空气电池，燃料电池等。电催化氧还原(ORR)是能源转换技术中十分重要的反应过程，但由于其复杂的多步电子转移途径，呈现出缓慢的动力学过程及较大的能量损失。
[0003]空气阴极是锌空气电池中关键的组成部分，ORR反应发生在这里。因此，许多工作都集中在该电极的制备上，包括阴极结构构建，高稳定性界面构建以及催化剂的开发。在功能上，柔性锌空气电池的阴极由集流体、空气扩散层和催化剂组成。这三个部分分别起到电荷传输、氧气转移和降低反应能垒的作用。阴极不同侧的适当亲水性和疏水性对于电池稳定性也至关重要。合格的柔性阴极应具有以下特性：1、具有提示电荷转移的优异导电性；2、适当的孔隙率，以确保更好的O2扩散；3、良好的双功能催化，提高ORR效率；4、适当的亲水性和疏水性，形成稳定的三相界面。综于以上条件，设计出一种具有良好的导电性、高化学稳定性和电化学稳定性、高气体透过性且具有一定的柔性的空气阴极材料是必要的。
[0004]碳基材料来源广泛，设计能力强，重量轻，疏水性强，表面亲和力可调，可以很好地满足柔性锌空气电池的要求。凭借广泛的结构设计可能性，碳基材料在柔性电池设计中具有优势。
[0005]目前柔性锌空电池碳基阴极材料仍面临很多问题，其最主要的问题便是其使用的稳定性，在充电条件、变形条件以及应力引入条件下，活性催化剂会与碳基材料分离。设计出含有丰富微介孔材料可以良好的固定活性催化剂，碳纸天然的高孔隙率和表面积并不总是适合三相反应。虽然高表面积确保了ORR的活性位点，但气泡氧可能会以相对较小的体积和尺寸积聚在孔隙中，导致由于堵塞引起的充放电终止。
[0006]现有技术公开了一种芳纶基碳纤维的制备方法，其将芳纶纤维置于含氨气的氛围中碳化处理，生成多级孔洞结构的氮掺杂的芳纶基多孔碳纤维，拉伸强度稳定，机械强度高。但其所制备的芳纶纸样不可以进行弯折等实验，柔性较差。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是为了解决现有的芳纶基碳纤维的柔性差的缺陷和不足，提供一种N掺杂多孔柔性碳纸，具有很好的柔性。
[0008]本专利技术的另一目的在于提供一种N掺杂多孔柔性碳纸的制备方法。
[0009]本专利技术的另一目的在于提供一种N掺杂多孔柔性碳纸在制备锌
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空气电池阴极材料中的应用。
[0010]本专利技术上述目的通过以下技术方案实现：
[0011]一种N掺杂多孔柔性碳纸，由聚对苯撑苯并二噁唑纤维制备而成，所述碳纸具有层状结构，所述碳纸中，氮含量≥5.4wt％，所述碳纸的比表面积≥450m2/g，平均孔径为1μm～3μm，拉伸强度≥0.12MPa。
[0012]本专利技术的N掺杂多孔柔性碳纸，由聚对苯撑苯并二噁唑纤维制备而成，可以折弯，具有很好的柔性以及适宜的拉伸强度。
[0013]本专利技术的N掺杂多孔柔性碳纸，可以作为柔性锌空电池碳基阴极材料，解决线有柔性锌空电池碳基阴极材料的比表面积以及孔隙率不合适，无法固定活性催化剂的问题，本专利技术的N掺杂多孔柔性碳纸，能够解决催化剂团聚现象，对Pt有良好的分散性，从而提高反应活性面积，是一种优异的催化剂载体。
[0014]本专利技术的N掺杂多孔柔性碳纸，可以作为锌空气电池的阴极材料，在阴极材料中构建气体扩散通道可以妥善解决固定活性催化剂，防止柔性锌空电池充放电终止的技术问题。
[0015]本专利技术的N掺杂多孔柔性碳纸具有较高的氮含量、合适的比表面积以及层状纤维结构，能够固定活性催化剂，防止柔性锌空电池充放电终止。这是因为N掺杂后的碳纸的电子结构和电负性会有一定程度的改变，从而催化活性有了显著提升。而且本专利技术碳纸中掺杂的N会与催化剂形成进一步的化学键合，从而抑制催化剂的聚集，使催化剂分散效果变好，增大催化剂的反应活性面积。
[0016]本专利技术的碳纸具有多孔结构，能够提高催化剂的分散效果，防止催化剂在碳纸上的聚集导致催化剂的反应活性面积减少。
[0017]本专利技术的碳纸作为锌空气电池的阴极材料时，碳纸的比表面积过大会会导致碳纸上微孔过多，负载催化剂后进行高温热还原可能会导致微孔闭合，从而将催化剂包覆在碳纸中，无法使催化剂与反应物接触，形成无效催化剂。碳纸的比表面积过小则会导致碳纸上负载的催化剂过少且容易使催化剂聚集导致催化效率降低。
[0018]较大的拉伸强度有利于碳纸的稳定性。拉伸强度过低，会导致碳纸稳定性降低，耐久性较差。
[0019]优选地，所述碳纸中，氮含量为6～8wt％，所述碳纸的比表面积为480～700m2/g，平均孔径为1.0μm～2μm。
[0020]更优选地，所述碳纸中，氮含量为6.5～8wt％，所述碳纸的比表面积为480～500m2/g，平均孔径为1.5μm～1.8μm。
[0021]优选地，所述碳纸中包括微孔和介孔，所述微孔的孔径为＜2nm；所述介孔的孔径为2～50nm。
[0022]本专利技术还保护一种N掺杂多孔柔性碳纸的制备方法，包括以下步骤：
[0023]S1.聚对苯撑苯并二噁唑纤维浆粕纸的制备：聚对苯撑苯并二噁唑纤维原料依次经打浆、抄造和干燥处理后，得到聚对苯撑苯并二噁唑纤维浆粕纸；
[0024]S2.聚对苯撑苯并二噁唑纤维碳纸的制备：将步骤S1得到的聚对苯撑苯并二噁唑纤维浆粕纸在CO2中进行物理活化，在850～950℃下进行高温活化1～2h，得到聚对苯撑苯并二噁唑纤维碳纸；
[0025]S3.N掺杂多孔柔性碳纸的制备
[0026]S31.将S2制备的柔性碳纸在双氰胺溶液中浸渍4～8h，然后烘干；
[0027]S32.将S31得到的纸在CO2中进行物理活化，在850～950℃下进行高温活化1～2h，得到N掺杂多孔柔性碳纸；
[0028]步骤S1中，聚对苯撑苯并二噁唑纤维原料的打浆度为29～40
°
SR。
[0029]其中所述聚对苯撑苯并二噁唑纤维浆粕纸为聚对苯撑苯并二噁唑纤维浆粕非定向堆积形成的三维立体孔隙结构。
[0030]本专利技术步骤S32中，在高温条件下二氧化碳会与碳反应生成一氧化碳从而刻蚀碳纸，利用二氧化碳的活化作用，形成孔洞结构。
[0031]本专利技术以聚对苯撑苯并二噁唑纤维为碳源，双氰胺为氮源，聚对苯撑苯并二噁唑纤维浆粕纸经碳化活化及掺氮制备而成N掺杂多孔柔性碳纸。
[0032]本专利技术利用碳纸良好的导电性、物理活化提供的大量介孔，以及N掺杂提供的高活性位点获得性能优越的柔性锌空电池阴极材料。
[0033]优选地，步骤S1.中所述打浆度为25～35
°
SR。打浆的目的是使聚对苯撑苯并二噁唑纤维原纤化，在本专利技术的打浆度范围内，可以保证制备得到的N掺杂多孔柔性碳纸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种N掺杂多孔柔性碳纸，其特征在于，由聚对苯撑苯并二噁唑纤维制备而成，所述碳纸具有层状结构，所述碳纸中，氮含量≥5.4wt％，所述碳纸的比表面积≥450m2/g，平均孔径为1μm～3μm，拉伸强度≥0.12MPa。2.根据权利要求1所述N掺杂多孔柔性碳纸，其特征在于，所述碳纸中，氮含量为6～8wt％，所述碳纸的比表面积为480～700m2/g，平均孔径为1.0μm～2μm。3.根据权利要求1所述N掺杂多孔柔性碳纸，其特征在于，所述碳纸中，氮含量为6.5～8wt％，所述碳纸的比表面积为480～550m2/g，平均孔径为1.5μm～1.8μm。4.根据权利要求1所述N掺杂多孔柔性碳纸，其特征在于，所述碳纸中包括微孔和介孔，所述微孔的孔径为＜2nm；所述介孔的孔径为2～50nm。5.权利要求1～4任一项所述N掺杂多孔柔性碳纸的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.聚对苯撑苯并二噁唑纤维浆粕纸的制备：聚对苯撑苯并二噁唑纤维原料依次经打浆、抄造和干燥处理后，得到聚对苯撑苯并二噁唑纤维浆粕纸；S2.聚对苯撑苯并二噁唑纤维碳纸的制备：将步骤S1得到的聚对苯撑苯并二噁唑纤维浆粕纸在CO2中进行物理活化...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海龙，孙广航，蒙玲，刘梦茹，胡健，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：