一种柔性自支撑氮掺杂碳纤维复合材料的制备方法及应用.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115537975A(43)申请公布日2022.12.30(21)申请号202211342859.1(22)申请日2022.10.28(71)申请人安徽农业大学地址230036安徽省合肥市长江西路130号(72)发明人顾殿宽杜兆芳陈巍周涛何娅苏芳勤(74)专利代理机构合肥兴东知识产权代理有限公司34148专利代理师王伟(51)Int.Cl.D01F9/22(2006.01)D01F1/10(2006.01)H01G11/40(2013.01)H01G11/86(2013.01)权利要求书2页说明书8页附图4页(54)发明名称一种柔性自支撑氮掺杂碳纤维复合材料的制备方法及应用(57)摘要本发明公开了一种柔性自支撑氮掺杂碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一：配制多巴胺/聚丙烯腈复合纺丝液；步骤二：制备前驱体；步骤三：将前驱体预氧化、碳化、退火，得到柔性自支撑氮掺杂碳纤维复合材料。本发明采用聚丙烯腈、多巴胺为原料，利用静电纺丝法制备多巴胺/聚丙烯腈复合纤维膜前驱体。通过引入邻苯二酚、胺、亚胺等多种官能团，增强碳材料的电解液浸润性，提高反应效率；将氮原子掺杂入碳材料，在氮原子取代碳原子的过程中，碳材料骨架结构的破坏程度较小，能够保持碳材料的稳定性，掺杂后的碳材料具有更优异的电子导电性。CN115537975ACN115537975A权利要求书1/2页1.一种柔性自支撑氮掺杂碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：配制多巴胺/聚丙烯腈复合纺丝液：将聚丙烯腈溶于N,N‑二甲基甲酰胺中，然后加入多巴胺，配制成纺丝液后搅拌1h，得到均一、透明的淡黄色纺丝液即为多巴胺/聚丙烯腈复合纺丝液；步骤二：制备前驱体：首先设置静电纺丝工艺参数，调节注射器针头到接收辊筒之间的接收距离，调节纺丝机内部环境湿度和温度后，在注射器中装入纺丝液，设置静电纺丝电压、微量泵推送速度和接收辊筒转速，得到多巴胺/聚丙烯腈复合纤维膜；将上述多巴胺/聚丙烯腈复合纤维膜在烘箱中干燥，再浸渍在Tris‑HCl溶液中，室温振荡后反复用水清洗，去除多余Tris‑HCl溶液，再将纤维膜平铺在聚四氟板上烘干，得到前驱体聚多巴胺/聚丙烯腈复合纤维膜；步骤三：将所述前驱体预氧化、碳化、退火，得到柔性自支撑氮掺杂碳纤维复合材料：将步骤二制得的前驱体悬挂在马弗炉中，空气气氛预氧化，得到预氧化纤维膜；将预氧化纤维膜平放在管式炉腔体中，氩气或氮气气氛下碳化得到聚丙烯腈基碳纳米纤维；将聚丙烯腈基碳纳米纤维放置在马弗炉中，空气气氛退火得到柔性自支撑氮掺杂碳纤维复合材料。2.根据权利要求1所述的柔性自支撑氮掺杂碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二的制备前驱体方法还包括：首先设置静电纺丝工艺参数，调节注射器针头到接收辊筒之间的接收距离，调节纺丝机内部环境湿度和温度后，在注射器中装入纺丝液，设置静电纺丝电压、微量泵推送速度和接收辊筒转速，得到多巴胺/聚丙烯腈复合纤维膜；将上述多巴胺/聚丙烯腈复合纤维膜在烘箱中干燥，再浸渍在Tris‑HCl溶液中，室温振荡后反复用水清洗，去除多余Tris‑HCl溶液，得到聚多巴胺/聚丙烯腈复合纤维膜；将聚多巴胺/聚丙烯腈复合纤维膜在氧化石墨烯分散液中浸渍，然后取出反复用水清洗去除表面多余氧化石墨烯，再将纤维膜平铺在聚四氟板上烘干，最后获得前驱体氧化石墨烯‑聚多巴胺/聚丙烯腈复合纤维膜。3.根据权利要求1或2所述的柔性自支撑氮掺杂碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述多巴胺与聚丙烯腈质量比为1：(2‑50)，所述多巴胺/聚丙烯腈复合纺丝液的质量分数为6‑10wt％。4.根据权利要求1或2所述的柔性自支撑氮掺杂碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述注射器针头到接收辊筒之间的接收距离为10‑20cm，纺丝机内部环境湿度为20‑35％，温度为20‑40℃，注射器中装入的纺丝液为6‑8ml，静电纺丝电压为15～20kV，微量泵推送速度为0.5‑2.0ml/h，接收辊筒转速为50‑1000rpm。5.根据权利要求1或2所述的柔性自支撑氮掺杂碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述在烘箱中干燥温度为60℃，干燥时间为4‑6h，所述Tris‑HCl溶液浓度为50mM，室温震荡时间为12‑48h，在所述聚四氟板上烘干温度为60℃，烘干时间为4‑6h。6.根据权利要求2所述的柔性自支撑氮掺杂碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述氧化石墨烯分散液浓度为1‑20mg/ml。7.根据权利要求1或2所述的柔性自支撑氮掺杂碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述预氧化温度为250‑300℃，预氧化时间为1‑4h，升温速率为1℃/min。2CN11553