專利名稱：一種層次孔炭纖維材料及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用劍麻纖維制備的層次孔炭纖維材料及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
近年來，層次孔炭材料在材料科學(xué)領(lǐng)域引起了日益廣泛的關(guān)注，這是因為層次孔炭材料兼?zhèn)淇讖娇烧{(diào)可控且合理分布的微孔、中孔和大孔三元納米孔結(jié)構(gòu)，具有獨特的二元/三元結(jié)構(gòu)相互協(xié)同作用的特點大孔提供高效的質(zhì)子傳輸場所，可大大降低擴散阻力， 中孔可充當(dāng)質(zhì)子傳輸通道，而微孔和/或中孔可為提高反應(yīng)物質(zhì)的分散程度，并提供足夠多的活性中心。研究證實這些特性使得層次孔炭材料具有傳統(tǒng)多孔材料所無法比擬的優(yōu)異性能，例如，高效的化學(xué)活性表面、快速的傳質(zhì)速率和極短的擴散距離等，因此，層次孔炭材料在催化、吸附、分離、生物醫(yī)藥、儲能等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。此外，層次孔炭材料的比表面積一般處于100至2300m2/g之間，鑒于在任何應(yīng)用場合下比表面積都是多孔材料最為重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，制備具有高比表面積的層次孔炭材料對于推動多孔材料的發(fā)展具有重要的科學(xué)研究價值和實際應(yīng)用意義。目前，層次孔炭材料的制備方法有模板法、模板-活化聯(lián)合法或者免模板法，它們的制備原料和模板一般要通過一系列繁瑣的化學(xué)反應(yīng)才能得到，在這過程中勢必需要消耗和浪費較多的化工原料。隨著能源的短缺與環(huán)境的不斷惡化，如何直接利用天然生物質(zhì)作為原料，并通過簡單、有效以及低成本的方法來制備具有特定拓?fù)錁?gòu)造的層次孔炭材料日益變得至關(guān)重要。劍麻是一種多年生高產(chǎn)穩(wěn)定的經(jīng)濟作物，主要生長在熱帶、亞熱帶地區(qū)，全球每年的產(chǎn)量超過450萬噸，劍麻纖維是取自于劍麻葉片中的維管束纖維，具有質(zhì)地堅韌、耐磨擦、耐酸堿、拉力強、耐海水腐蝕等多種特性，廣泛應(yīng)用于繩索、麻袋、編織地毯、以及造紙等?？梢姡壳皠β槔w維的利用水平較低，附加價值不高，因此，充分有效利用這種高產(chǎn)量的可再生資源，開拓劍麻纖維在新技術(shù)、新材料和新能源方面的應(yīng)用以提高其附加價值具有重要的現(xiàn)實意義。劍麻纖維是由多根的單纖維構(gòu)成，每根單纖維具有中空結(jié)構(gòu)，其空腔直徑大于50nm，是一種天然的大孔結(jié)構(gòu)，在構(gòu)筑層次化多孔中可以發(fā)揮重要作用。此外，其纖維骨架上主要由纖維素、木質(zhì)素、半纖維素三大組分組成，含碳量約45%，經(jīng)過簡單的高溫?zé)崽幚砗?，骨架上氧、氫等非碳元素和部分碳元素?fù)]發(fā)從而形成大量微孔和/或中孔?？梢?， 劍麻纖維是一種制備層次孔炭材料的優(yōu)質(zhì)原料。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種層次孔炭纖維材料的制備方法。該制備方法以廉價易得的可再生生物質(zhì)劍麻纖維為原料，實施工藝簡單易行，使該炭纖維材料的制備成本低，且所得產(chǎn)品具有明顯的層次孔結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的又一目的在于提供上述方法制備的層次孔炭纖維材料。本發(fā)明的再一目的在于提供上述層次孔炭纖維材料的應(yīng)用。
以上述層次孔炭纖維材料為制備原料，本發(fā)明還提供一種高比表面積層次孔炭纖維材料及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)一種層次孔炭纖維材料的制備方法，包括以下操作步驟(1)將劍麻纖維洗凈后干燥；(2)將步驟⑴所得的劍麻纖維置于炭化爐中，在惰性氣氛保護下以2 10°C / min的升溫速率升溫至300 900°C，然后恒溫0. 5 他進行炭化，得到層次孔炭纖維材料。所述劍麻纖維是制成了絲、繩、氈、布或紙的劍麻纖維，此劍麻纖維從市場購買后沒有經(jīng)過任何處理而直接使用；所述干燥條件為50 150°C下干燥0. 5 Mh ；所述步驟 (2)中惰性氣氛為10 400ml/min流速的氮氣或氬氣氣氛。一種層次孔炭纖維材料就是通過上述制備方法制備而成的。所述層次孔炭纖維材料的比表面積為9 431m2/g。該層次孔炭纖維材料可用做吸附劑以及超級電容器的電極材料，繩、氈、布、紙等形狀的炭纖維材料可以直接用作具有吸附性能的材料，而將其研磨后即可用作電容器的電極材料。一種由上述層次孔炭纖維材料制備而成的高比表面積層次孔炭纖維材料，其比表面積為965 3350m2/g。上述高比表面積層次孔炭纖維材料的的制備方法包括以下步驟(1)將Ig層次孔炭纖維材料與含有0. 5 8g氫氧化鉀的乙醇/水溶液充分混合均勻，將混合物干燥；(2)將步驟⑴中干燥后的混合物置于高溫爐中，在惰性氣體氣氛下以2 5°C / min的升溫速率升溫到500 900°C，然后恒溫0. 5 他進行活化刻蝕，刻蝕產(chǎn)物經(jīng)洗滌、 過濾、水洗至中性和干燥后，得到高比表面積層次孔炭纖維材料。所述步驟(1)中的溶液所用的溶劑為將2 6ml無水乙醇與2 20ml去離子水混合制成的溶劑；所述步驟⑵中的惰性氣體氣氛為10 400ml/min流速的氮氣或氬氣氣氛；所述步驟( 中活化刻蝕后將產(chǎn)物溫度降低至50°C以下，得到刻蝕產(chǎn)物；所述洗滌是用去離子水和濃鹽酸按5 20 1的體積比混合而成的溶液洗滌2 8次，用去離子水洗滌 1 4次；所述干燥條件為105 110°C下干燥6 Mh。上述高比表面積層次孔炭纖維材料可用做吸附劑以及超級電容器的電極材料， 繩、氈、布、紙等形狀的炭纖維材料可以直接用作具有吸附性能的材料，而將其研磨后即可用作電容器的電極材料。本發(fā)明的原理如下本發(fā)明首先以天然劍麻纖維為反應(yīng)原料，經(jīng)洗滌干凈和剪裁或編織成特定表觀形狀后，在惰性氣氛中炭化得到層次孔炭纖維；然后將所得的層次孔炭纖維以一定的比例與刻蝕造孔劑(例如氫氧化鉀溶液)混合均勻，經(jīng)烘干、高溫處理、酸洗、 水洗、過濾、干燥等步驟后得到高比表面積層次孔炭纖維材料。研究發(fā)現(xiàn)(1)經(jīng)過炭化后，劍麻纖維的天然大孔結(jié)構(gòu)得到很好的保持，并由于纖維骨架上的非碳和部分碳元素在高溫下的去除，所得的炭骨架上含有較多數(shù)量的微孔或小中孔，由此利用了劍麻纖維的天然結(jié)構(gòu)成功制備出一類層次孔炭纖維；( 進一步的刻蝕處理不僅沒有破壞劍麻纖維的天然大孔結(jié)構(gòu)，而且極大地在纖維骨架上帶來了豐富的孔洞，生成了大量的微孔和小中孔，使樣品的比表面積得到極大的提高，可高達3350m2/g，從而利用了劍麻纖維的天然結(jié)構(gòu)得到高比表面積層次孔炭纖維材料，其層次化孔結(jié)構(gòu)由微米級隧道狀大孔、2. 5nm中孔以及1. 2nm微孔所組成；( 通過簡單調(diào)節(jié)制備工藝條件，例如， 炭化溫度、升溫速率、保溫時間、刻蝕劑的種類以及刻蝕劑的用量等等，可以有效調(diào)控所得層次孔炭材料和高比表面積層次孔炭材料的各元納米孔的數(shù)量及所占比例。本發(fā)明相對于現(xiàn)有層次孔炭材料制備技術(shù)，具有如下的優(yōu)點及有益效果(1)本發(fā)明制備的層次孔炭纖維材料具有獨特的層次化多孔結(jié)構(gòu)。層次孔炭材料的大孔結(jié)構(gòu)通常為片層狀或者球狀，而本發(fā)明的層次孔炭纖維炭材料的大孔來源于劍麻植物結(jié)構(gòu)的天然大孔，為準(zhǔn)有序排列的隧道狀結(jié)構(gòu)，以此為基礎(chǔ)，經(jīng)過簡單的高溫處理后，所得到的炭材料的層次化孔結(jié)構(gòu)由微米級準(zhǔn)有序排列的隧道狀大孔、2. 5nm中孔以及1. 2nm 微孔組成。(2)本發(fā)明的制備工藝簡單，綠色環(huán)保。劍麻纖維是一種常見的天然生物質(zhì)，是一種廉價、多年生、產(chǎn)量高、易生長的纖維植物。劍麻纖維具有天然的隧道狀大孔結(jié)構(gòu)，直接以其為原料，經(jīng)過簡單的高溫處理，便可構(gòu)造出獨特的層次化多孔結(jié)構(gòu)，這免去了常規(guī)制備方法需要的合成炭源與模板、自組裝、模板去除等一系列繁瑣的步驟，是一種簡單、綠色、可持續(xù)發(fā)展的制備技術(shù)。(3)本發(fā)明可以得到具有超高比表面積的層次孔炭纖維材料。劍麻纖維的天然大孔有利于活化劑在炭骨架上浸入和均勻分散，使其可成為一個良好的基底去構(gòu)筑高比表面積的層次孔結(jié)構(gòu)，經(jīng)過簡單的活化刻蝕處理后，所得的層次孔炭纖維炭材料的比表面積和孔容分別可高達3350m2/g和7. 21cm7g。(4)可得到繩、氈、布、紙等形狀的層次孔炭纖維材料，且其比表面積、吸附能力靈活可控。作為一種高強度的材料，劍麻纖維具有質(zhì)地堅韌、富于彈性、耐摩擦、不易碎等特性，易編織成繩、氈、布、紙等形狀，經(jīng)過簡單的高溫處理后，這些宏觀形狀仍然可以得到很好的保持，得到的材料具有質(zhì)薄而輕、吸附性能優(yōu)越等特點，可直接用于制備免粘結(jié)劑電極、防毒衣、面罩和口罩等器材，將其研磨后即可用作電容器電極材料，使用方便，而且所需生產(chǎn)設(shè)備要求低，工藝簡單，容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。


圖1中A和B是實施例1制備得到的層次孔炭纖維材料的掃描電鏡圖；圖C和D 是實施例2制備得到的高比表面積層次孔炭纖維材料的掃描電鏡圖。圖2中A是實施例2制備得到的高比表面積層次孔炭纖維材料的氮氣吸附-脫附等溫線圖，B是實施例2制備得到的高比表面積層次孔炭纖維材料的孔徑分布曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。實施例1以劍麻纖維為原料制備層次孔炭纖維材料的步驟如下(1)將劍麻纖維洗凈，剪裁至每根纖維長度為0. 1 0. 5cm，然后放置于烘箱中在 100°C下干燥6h。
(2)將步驟(1)中預(yù)處理好后的劍麻纖維置于炭化爐中，在400ml/min流速的氮氣氣氛下，以5°C /min的升溫速率升溫至經(jīng)500°C，然后恒溫炭化3小時，即得到層次孔炭纖維材料。以上步驟制備得到層次孔炭纖維材料的掃描電鏡如圖1中A和B所示。用美國Micromeritics公司產(chǎn)的ASAP2010吸附儀氮氣吸附法和PoreMaster60壓汞儀測試，制備出的層次孔炭纖維材料的比表面積(BET) *^8m7g，孔容為3.09cm7g，其中微孔孔容、中孔孔容和大孔孔容分別為0. 10cm7g、0. 04cm3/g和3. 10cm7g。利用英國Hiden公司生產(chǎn)的IGA儀器測定樣品在常溫下對有機蒸汽吸附-脫附性能，其對甲苯蒸汽的吸附量為57mg/g。將其研磨成粉末，制備成電極材料，并組裝為超級電容器，用恒流充放電法測得其在6mol/L KOH電解液中的質(zhì)量比電容為45F/g。實施例2以劍麻纖維為原料制備高比表面積層次孔炭纖維材料的步驟如下(1)將5g KOH溶解在IOml水和6ml無水乙醇混合后得到的溶劑中，得到含有刻蝕劑KOH的溶液，然后加入Ig實施例1制得的層次孔炭纖維，充分?jǐn)嚢杈鶆?，將混合物置?100°C下干燥6h ；(2)將干燥后的混合物置于炭化爐中，在流速為400ml/min的氮氣氣氛下，以5°C / min的升溫速率升溫至900°C，恒溫活化池后，待炭化爐的溫度降至50°C時取出混合物， 用IOOml去離子水和IOml 37%鹽酸混合得到的溶液在煮沸的情況下洗滌混合物3次，用 200ml去離子水洗滌一次，過濾后于110°C干燥12h，得到高比表面積層次孔炭纖維材料。所得到高比表面積層次孔炭纖維的掃描電鏡如圖1中C和D所示。用美國 Micromeritics公司產(chǎn)的ASAP2010吸附儀氮氣吸附法和PoreMaster 60壓汞儀測試，制備出的高比表面積層次孔炭纖維材料的氮氣吸附-脫附曲線及孔徑分布曲線如圖2所示，測得其比表面積(BET)為3350m2/g，孔容為7. 21cm7g，其中微孔孔容、中孔孔容和大孔孔容分別為0. 75cm7g、0. 82cm7g和6. 53cm7g。從以上結(jié)果可看出該高比表面積層次孔炭纖維材料的多孔結(jié)構(gòu)由微米級準(zhǔn)有序排列的隧道狀大孔、2. 5nm中孔以及1. 2nm微孔所組成。利用英國Hiden公司生產(chǎn)的IGA儀器測定樣品在常溫下對有機蒸汽吸附-脫附性能，其對苯蒸汽的吸附量為1488mg/g。將其研磨成粉末，制備成電極材料，并組裝為超級電容器，用恒流充放電法測得其在6mol/L KOH電解液中的質(zhì)量比電容為300F/g。實施例3以劍麻纖維為原料制備高比表面積層次孔炭纖維材料的步驟如下(1)將3g KOH溶解在IOml水和6ml無水乙醇混合后得到的溶劑中，得到含有刻蝕劑KOH的溶液，之后加入Ig實施例1制得的層次孔炭纖維材料，充分?jǐn)嚢杈鶆颍瑢⒒旌衔镏糜?00°C下干燥6h ；(2)將干燥后的混合物置于炭化爐中，在流速為400ml/min的氮氣氣氛下，以5°C / min的升溫速率升溫至900°C，恒溫活化池后，當(dāng)炭化爐的溫度降至50°C時取出混合物， 用IOOml去離子水和IOml 37%鹽酸混合得到的溶液在煮沸的情況下洗滌混合物3次，用 200ml去離子水洗滌1次，過濾后于110°C干燥12h，得到高比表面積層次孔炭纖維材料。
用美國Micromeritics公司產(chǎn)的ASAP2010吸附儀氮氣吸附法測試得知，制備得到的高比表面積層次孔炭纖維的比表面積(BET)為2550m2/g。利用英國Hiden公司生產(chǎn)的IGA儀器測定樣品在常溫下對有機蒸汽吸附-脫附性能，其對甲苯蒸汽的吸附量為1016mg/g。將其研磨成粉末，制備成電極材料，并組裝為超級電容器，用恒流充放電法測得其在6mol/L KOH電解液中的質(zhì)量比電容為232F/g。實施例4以劍麻纖維為原料制備高比表面積層次孔炭纖維材料的步驟如下(1)將Ig KOH溶解在IOml水和6ml無水乙醇混合后得到的溶劑中，得到含有刻蝕劑KOH的溶液，之后加入Ig實施例1制得的層次孔炭纖維材料，充分?jǐn)嚢杈鶆?，將混合物置?00°C下干燥6h ；(2)將干燥后的混合物置于炭化爐中，在流速為400ml/min的氮氣氣氛下，以5°C / min的升溫速率升溫至900°C，恒溫活化池后，當(dāng)炭化爐的溫度降至50°C時取出混合物， 用IOOml去離子水和IOml 37%鹽酸混合得到的溶液在煮沸的情況下洗滌混合物3次，用 200ml去離子水洗滌1次，過濾后于110°C干燥12h，得到高比表面積層次孔炭纖維材料。用美國Micromeritics公司產(chǎn)的ASAP2010吸附儀氮氣吸附法測試得知，制備得到的高比表面積層次孔炭纖維的比表面積(BET)為1331m2/g。利用英國Hiden公司生產(chǎn)的IGA儀器測定樣品在常溫下對有機蒸汽吸附_脫附性能，其對甲苯蒸汽的吸附量為656mg/g。將其研磨成粉末，制備成電極材料，并組裝為超級電容器，用恒流充放電法測得其在6mol/L KOH電解液中的質(zhì)量比電容為155F/g。實施例5以劍麻纖維為原料制備層次孔炭纖維材料和高比表面積層次孔炭材料的步驟如下(1)將劍麻纖維洗凈，剪裁至每根纖維長度為0. 1 0. 5cm，然后放置于烘箱中在 100°C下干燥6h。(2)將步驟(1)中預(yù)處理好后的劍麻纖維置于炭化爐中，在400ml/min流速的氮氣氣氛下，以5°C /min的升溫速率升溫至經(jīng)900°C，然后恒溫炭化3小時，即得到層次孔炭纖維材料。(3)將0. 5g KOH溶解在細(xì)1水和2ml無水乙醇混合后得到的溶劑中，得到含有刻蝕劑KOH的溶液，之后加入Ig步驟( 制得的層次孔炭纖維材料，充分?jǐn)嚢杈鶆?，將混合物置?05°C下干燥IOh ；(2)將干燥后的混合物置于炭化爐中，在流速為lOml/min的氮氣氣氛下，以2V / min的升溫速率升溫至900°C，恒溫活化4h后，當(dāng)炭化爐的溫度降至50°C時取出混合物， 用IOOml去離子水和20ml 37%鹽酸混合得到的溶液在煮沸的情況下洗滌混合物3次，用 200ml去離子水洗滌1次，過濾后于105°C干燥他，得到高比表面積層次孔炭纖維材料。用美國Micromeritics公司產(chǎn)的ASAP2010吸附儀氮氣吸附法測試得知，制備得到的層次孔炭纖維材料和高比表面積層次孔炭材料的比表面積(BET)分別為193m2/g和 965m2/go
利用英國Hiden公司生產(chǎn)的IGA儀器測定樣品在常溫下對有機蒸汽吸附-脫附性能，所得兩種材料對甲苯蒸汽的吸附量分別為89mg/g和23aiig/g，對苯蒸汽的吸附量分別為為 119mg/g 和 415mg/g。將層次孔炭纖維材料和高比表面積層次孔炭纖維材料研磨成粉末，制備成電極材料，并組裝為超級電容器，用恒流充放電法測得它們在6mol/L KOH電解液中的質(zhì)量比電容為 91F/g 和 146F/g。實施例6以劍麻纖維為原料制備層次孔炭纖維材料和高比表面積層次孔炭纖維材料的步驟如下(1)將劍麻纖維洗凈，剪裁至每根纖維長度為0. 1 0. 5cm，然后放置于烘箱中在 100°C下干燥6h。(2)將步驟(1)中預(yù)處理后的劍麻纖維置于炭化爐中，在400ml/min流速的氮氣氣氛下，以5°C /min的升溫速率升溫至經(jīng)700°C，然后恒溫炭化3小時，即得到層次孔炭纖維。(3)將8g KOH溶解在20ml水和6ml無水乙醇混合后得到的溶劑中，得到含有刻蝕劑KOH的溶液，之后加入Ig步驟( 制得的層次孔炭纖維材料，充分?jǐn)嚢杈鶆?，將混合物置?10°C下干燥Mh ；(4)將干燥后的混合物置于炭化爐中，在流速為400ml/min的氮氣氣氛下，以5°C / min的升溫速率升溫至500°C，恒溫活化0. 5h后，當(dāng)炭化爐的溫度降至50°C時取出混合物， 用200ml去離子水和40ml 37%鹽酸混合得到的溶液在煮沸的情況下洗滌混合物3次，用 200ml去離子水洗滌1次，過濾后于110°C干燥Mh，得到高比表面積層次孔炭纖維材料。用美國Micromeritics公司產(chǎn)的ASAP2010吸附儀氮氣吸附法測試得知，制備的層
次孔炭纖維材料和高比表面積層次孔炭材料的比表面積(BET)分別為372m2/g和2343m2/ g°將兩者研磨成粉末，制備成電極材料，并組裝為超級電容器，用恒流充放電法測得其在6mol/L KOH電解液中的質(zhì)量比電容分別為105F/g和210F/g。實施例7層次炭纖維布材料和高比表面積層次炭纖維布材料的制備步驟如下(1)將編織好的劍麻纖維布放置于100°C烘箱中干燥他；(2)將步驟(1)中預(yù)處理后的劍麻纖維布置于炭化爐中，在流速為400ml/min的氮氣氣氛下，以5°C /min的升溫速率升溫至500°C，炭化1小時，即得到層次孔炭纖維布材料， 炭化得率為22%。(3)將3g KOH溶解在IOml水和6ml無水乙醇混合后得到的溶劑中，得到含有刻蝕劑KOH的溶液，之后加入Ig步驟( 制得的層次孔炭纖維材料，充分?jǐn)嚢杈鶆?，將混合物置?05°C下干燥12h ；(4)將干燥后的混合物置于炭化爐中，在流速為200ml/min的氮氣氣氛下，以5°C / min的升溫速率升溫至700°C，恒溫活化池后，當(dāng)炭化爐的溫度降至50°C時取出混合物， 用150ml去離子水和20ml 37%鹽酸混合得到的溶液在煮沸的情況下洗滌混合物3次，用 200ml去離子水洗滌1次，過濾后于105°C干燥10h，得到高比表面積層次孔炭纖維布材料。經(jīng)計算，劍麻纖維布的長度炭化收縮率為33%，寬度炭化收縮率為30%。制得的層次孔炭纖維布材料和高比表面積層次孔炭纖維布材料的BET比表面積分別為14m2/g和 1345m2/g。實施例8層次孔炭纖維繩材料和高比表面積層次炭纖維繩材料的制備方法，步驟如下(1)將編織好的劍麻纖維繩放置于100°C烘箱中干燥他；(2)將步驟(1)中預(yù)處理后的劍麻纖維繩置于炭化爐中，在流速為400ml/min的氮氣氣氛下，以5°C /min的升溫速率升溫至600°C，炭化1小時，即得到層次孔炭纖維繩材料， 炭化得率為23%。(3)將Ig KOH溶解在IOml水和6ml無水乙醇混合后得到的溶劑中，得到含有刻蝕劑KOH的溶液，之后加入Ig步驟( 制得的層次孔炭纖維繩材料，充分?jǐn)嚢杈鶆?，將混合物置?10°C下干燥6h;(4)將干燥后的混合物置于炭化爐中，在流速為300ml/min的氮氣氣氛下，以5°C / min的升溫速率升溫至900°C，恒溫活化池后，當(dāng)炭化爐的溫度降至50°C時取出混合物， 用IOOml去離子水和IOml 37%鹽酸混合得到的溶液在煮沸的情況下洗滌混合物3次，用 200ml去離子水洗滌1次，過濾后于110°C干燥他，得到高比表面積層次孔炭纖維繩材料。經(jīng)計算，劍麻纖維繩的長度炭化收縮率為36%，徑向炭化收縮率為14%。制得的層次孔炭纖維繩材料和高比表面積層次孔炭纖維繩材料的BET比表面積分別為352m2/g和 1435m2/g。實施例9層次孔炭纖維布材料和高比表面積層次炭纖維布材料的制備方法，步驟如下(1)將編織好的劍麻纖維布放置于100°C烘箱中干燥他；(2)將步驟(1)中預(yù)處理后的劍麻纖維布置于炭化爐中，在流速為400ml/min的氮氣氣氛下，以5°C /min的升溫速率升溫至800°C，炭化1小時，即得到層次孔炭纖維布材料。(3)將Ig KOH溶解在IOml水和6ml無水乙醇混合后得到的溶劑中，得到含有刻蝕劑KOH的溶液，之后加入Ig步驟( 制得的層次孔炭纖維布材料，充分?jǐn)嚢杈鶆颍瑢⒒旌衔镏糜?10°C下干燥6h;(4)將干燥后的混合物置于炭化爐中，在流速為300ml/min的氮氣氣氛下，以5°C / min的升溫速率升溫至900°C，恒溫活化池后，當(dāng)炭化爐的溫度降至50°C時取出混合物， 用IOOml去離子水和IOml 37%鹽酸混合得到的溶液在煮沸的情況下洗滌混合物3次，用 200ml去離子水洗滌1次，過濾后于110°C干燥12h，得到高比表面積層次孔炭纖維布材料。經(jīng)計算，劍麻纖維布的炭化得率為18%。制得的層次孔炭纖維布材料和高比表面積層次孔炭纖維布材料的BET比表面積分別為431m2/g和1350m2/g。實施例10層次孔炭纖維繩材料和高比表面積層次炭纖維繩材料的制備方法，步驟如下(1)將編織好的劍麻纖維布放置于100°C烘箱中干燥他；(2)將步驟(1)中預(yù)處理后的劍麻纖維繩置于炭化爐中，在流速為400ml/min的氮氣氣氛下，以5°C /min的升溫速率升溫至700°C，炭化1小時，即得到層次孔炭纖維繩材料。(3)將Ig KOH溶解在IOml水和6ml無水乙醇混合后得到的溶劑中，得到含有刻蝕劑KOH的溶液，之后加入Ig步驟( 制得的層次孔炭纖維繩材料，充分?jǐn)嚢杈鶆?，將混合物置?10°C下干燥6h;(4)將干燥后的混合物置于炭化爐中，在流速為300ml/min的氮氣氣氛下，以5°C / min的升溫速率升溫至900°C，恒溫活化池后，當(dāng)炭化爐的溫度降至50°C時取出混合物， 用IOOml去離子水和IOml 37%鹽酸混合得到的溶液在煮沸的情況下洗滌混合物3次，用 200ml去離子水洗滌1次，過濾后于110°C干燥12h，得到高比表面積層次孔炭纖維繩材料。經(jīng)計算，劍麻纖維繩的炭化得率為18%。制得的層次孔炭纖維繩材料和高比表面積層次孔炭纖維繩材料的BET比表面積分別為418m2/g和1340m2/g。上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其它的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種層次孔炭纖維材料的制備方法，其特征在于包括以下操作步驟(1)將劍麻纖維洗凈后干燥；(2)將步驟(1)所得的劍麻纖維置于炭化爐中，在惰性氣氛保護下以2 10°C/min的升溫速率升溫至300 90(TC，然后恒溫0. 5 他進行炭化，得到層次孔炭纖維材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種層次孔炭纖維材料的制備方法，其特征在于所述步驟 (1)中的劍麻纖維是制成絲、繩、氈、布或紙的劍麻纖維；所述干燥條件為在50 150°C下干燥0. 5 Mh ；所述步驟O)中惰性氣氛為10 400ml/min流速的氮氣或氬氣氣氛。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法制備得到的層次孔炭纖維材料，其特征在于 該材料的比表面積為9 431m2/g。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的層次孔炭纖維材料在制備吸附材料和超級電容器電極材料中的應(yīng)用。
5.一種由權(quán)利要求3所述層次孔炭纖維材料制備而成的高比表面積層次孔炭纖維材料，其特征在于該高比表面積層次孔炭纖維材料的比表面積為965 3350m2/g。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種高比表面積層次孔炭纖維材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)將Ig層次孔炭纖維材料與含有0.5 8g氫氧化鉀的乙醇/水溶液充分混合均勻， 將混合物干燥；(2)將步驟(1)中干燥后的混合物置于高溫爐中，在惰性氣體氣氛下以2 5°C/min 的升溫速率升溫到500 900°C，然后恒溫0. 5 他進行活化刻蝕，刻蝕產(chǎn)物經(jīng)洗滌、過濾、 水洗至中性和干燥后，得到具有高比表面積的層次孔炭纖維材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于所述步驟(1)中的溶液所用的溶劑為將2 6ml無水乙醇與2 20ml去離子水混合制成的溶劑；所述步驟O)中的惰性氣體氣氛為10 400ml/min流速的氮氣或氬氣氣氛。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于所述步驟O)中活化刻蝕后將產(chǎn)物溫度降低至50°C以下，得到刻蝕產(chǎn)物；所述洗滌是用去離子水和濃鹽酸按5 20 1的體積比混合而成的溶液洗滌2 8次，用去離子水洗滌1 4次；所述干燥條件為105 110°C 下干燥6 Mh。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高比表面積層次孔炭纖維材料在制備吸附材料和超級電容器電極材料中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，公開一種層次孔炭纖維材料及其制備方法和應(yīng)用，是以洗凈的經(jīng)剪裁或編織成特定形狀的劍麻纖維為原料，在惰性氣氛中于300～900℃恒溫炭化0.5～6h，得到層次孔炭纖維；再將所得的層次孔炭纖維與氫氧化鉀溶液混合均勻，干燥后于500～900℃恒溫活化0.5～6h，然后經(jīng)酸洗、水洗、過濾和干燥，得到高比表面積層次孔炭纖維材料。本發(fā)明的制備方法簡單易行，原料綠色環(huán)保，生產(chǎn)成本低，所得層次孔炭纖維及高比表面積層次孔炭纖維材料具有獨特的層次化多孔結(jié)構(gòu)，后者的比表面積可高達3350m2/g，具有優(yōu)異的吸附性能，而且可得到繩、氈、布、紙等形狀的層次孔炭纖維材料，使用方便，應(yīng)用前景廣闊。
文檔編號D01F9/16GK102505187SQ201110299838
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月29日
發(fā)明者吳丁財, 吳炳明, 梁業(yè)如, 符若文 申請人:中山大學(xué)