本發(fā)明涉及多功能后整理棉織物技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種二氧化錳/石墨烯復(fù)合碳化棉織物的制備方法。
背景技術(shù)：
在過(guò)渡金屬氧化物材料中，二氧化錳因具有較高的理論比容量(1375F/g)、環(huán)境友好、資源豐富和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是較理想的能量存儲(chǔ)和電極材料。此外，二氧化錳作為過(guò)渡金屬氧化物，還被應(yīng)用于傳感器。然而，二氧化錳電子導(dǎo)電能力低和循環(huán)性能差，嚴(yán)重制約其相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，所以對(duì)其進(jìn)行復(fù)合摻雜改性是一種行之有效地途徑之一。
石墨烯是由sp2雜化的碳原子蜂窩狀六角結(jié)構(gòu)緊密排列而成的二維單原子層片狀晶體材料。石墨烯及其衍生物因具有輕質(zhì)、柔性的二維單原子納米結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的強(qiáng)度、超大的比表面積、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等特性在復(fù)合材料、智能材料、電子器件、能量?jī)?chǔ)存和藥物載體等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛能。
石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，迄今為止，研究者仍未發(fā)現(xiàn)石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來(lái)適應(yīng)外力，也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性。石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因晶格缺陷或引入外來(lái)原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強(qiáng)，在常溫下，即使周?chē)荚影l(fā)生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小。
利用石墨烯加入電池電極材料中可以大大提高充電效率，并且提高電池容量，與二氧化錳納米粒子與石墨烯(或氧化石墨烯)結(jié)合以制備的智能產(chǎn)品、電子器件和能量?jī)?chǔ)存設(shè)備等的材料多為無(wú)機(jī)材料，不能滿足當(dāng)今對(duì)產(chǎn)品柔性、輕質(zhì)、便攜的要求。
目前，現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)通過(guò)利用二氧化錳額外的贗電容特性，以及低成本和環(huán)境友好等特點(diǎn)，將其應(yīng)用到超級(jí)電容器領(lǐng)域。但是，二氧化錳電導(dǎo)性能比較差，限制了其作為超級(jí)電容器方面的應(yīng)用，但將二氧化錳納米粒子和石墨烯材料與普通棉織物相結(jié)合，通過(guò)碳化處理，彌補(bǔ)單一材料導(dǎo)電性能力低、循環(huán)性能差等不足，大幅度提高材料的電容量和導(dǎo)電性能。
此外，碳化方法被廣泛應(yīng)用于電池電極和電容器的制備。通過(guò)碳化處理有機(jī)材料的電容和電導(dǎo)率可顯著增加。紡織品與人類(lèi)生產(chǎn)生活息息相關(guān)，其價(jià)廉易得，多功能紡織品的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用是當(dāng)今熱點(diǎn)研究課題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷或不足，本發(fā)明創(chuàng)新性地提出了一種二氧化錳/石墨烯復(fù)合碳化棉織物的制備方法，該制備方法將二氧化錳納米粒子和石墨烯材料與普通棉織物相結(jié)合，通過(guò)碳化處理，彌補(bǔ)單一材料導(dǎo)電性能力低、循環(huán)性能差等不足，大幅度提高材料的電容量和導(dǎo)電性能。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：
一種二氧化錳/石墨烯復(fù)合碳化棉織物的制備方法，具體包括以下步驟：
(1)氧化石墨烯浸泡-涂覆處理棉織物：
a、按氧化石墨烯原料∶去離子水為1g∶1L的比例，將氧化石墨烯原料加入到去離子水中，控制溫度10-30℃，超聲震蕩處理90min后，得到氧化石墨烯分散液；
b、將大小為2×5cm的棉織物樣品完全浸沒(méi)至氧化石墨烯分散液中，2h后，待棉織物樣品完全浸潤(rùn)后取出，在20-30℃條件下，自然晾干；
(2)將二氧化錳納米粒子沉積在氧化石墨烯涂層表面：
a、取0.2860g的高錳酸鉀粉末，分散于盛裝有150mL蒸餾水的燒杯中，磁力攪拌1h后，得到混合溶液；
b、將第一步中制備的氧化石墨烯處理棉織物樣品浸入至混合溶液中，再向燒杯中逐滴加入75mL無(wú)水乙醇，用保鮮膜將燒杯口密封，靜置6h，將反應(yīng)后的棉織物樣品洗滌至中性，100℃下將棉織物樣品烘干；
(3)將制備的棉織物樣品進(jìn)行碳化處理：
a、在氮?dú)鈿夥占?00℃條件下低溫?zé)峤?h；
b、800℃高溫完全碳化，氧化石墨烯在高溫環(huán)境中被還原為石墨烯，得到二氧化錳/石墨烯復(fù)合碳化棉織物。
進(jìn)一步的，所述棉織物樣品為平布、麻紗、斜紋布中的一種。
進(jìn)一步的，所述氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的濃度為1-10mg mL-1。
與現(xiàn)有技術(shù)方案相比，本發(fā)明的有益效果在于：
本發(fā)明公開(kāi)了一種二氧化錳/石墨烯復(fù)合碳化棉織物的制備方法，該制備方法將二氧化錳納米粒子和石墨烯材料與普通棉織物相結(jié)合，通過(guò)碳化處理，彌補(bǔ)單一材料導(dǎo)電性能力低、 循環(huán)性能差等不足，大幅度提高材料的電容量和導(dǎo)電性能，制備集儲(chǔ)能、加熱和應(yīng)力-傳感等性能于一體的柔性新材料，拓寬多功能紡織品的應(yīng)用領(lǐng)域。此外，紡織品與人類(lèi)生產(chǎn)生活息息相關(guān)，其價(jià)廉易得，將二氧化錳與石墨烯材料與普通棉織物相結(jié)合，開(kāi)發(fā)集儲(chǔ)能、加熱和應(yīng)力-傳感等性能于一體的新材料，將是多功能紡織品在柔性電化學(xué)、智能材料等領(lǐng)域的一大突破。
本發(fā)明的二氧化錳/石墨烯復(fù)合碳化棉織物在電流密度為100mA/g時(shí)，首次放電量可達(dá)356mAh/g，經(jīng)70循環(huán)后比電容穩(wěn)定在329.4mAh/g，保容率可達(dá)92.5％；在施加電壓U＝15V條件下，5min內(nèi)碳化材料溫度可升高36℃。此外，該碳化棉織物展現(xiàn)出靈敏的應(yīng)力-感應(yīng)性能，其標(biāo)準(zhǔn)電阻(R-R0)/R0隨變形的增大而增大。在一定應(yīng)變(曲率為0.6)條件下，標(biāo)準(zhǔn)電阻(R-R0)/R0可達(dá)0.78。所制備碳化棉織物具有優(yōu)良的電化學(xué)、電熱和應(yīng)力-感應(yīng)性能。二氧化錳/石墨烯復(fù)合碳化棉織物的成功制備有助于柔性超電容器、鋰離子電池的電極、保溫服裝和傳感器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
實(shí)施例1：
一種二氧化錳/石墨烯復(fù)合碳化棉織物的制備方法，具體包括以下步驟：
(1)氧化石墨烯浸泡-涂覆處理棉織物：
a、按氧化石墨烯原料∶去離子水為1g∶1L的比例，將氧化石墨烯原料加入到去離子水中，控制溫度10℃，超聲震蕩處理90min后，得到氧化石墨烯分散液；
b、將大小為2×5cm的棉織物樣品完全浸沒(méi)至氧化石墨烯分散液中，2h后，待棉織物樣品完全浸潤(rùn)后取出，在20℃條件下，自然晾干；
(2)將二氧化錳納米粒子沉積在氧化石墨烯涂層表面：
a、取0.2860g的高錳酸鉀粉末，分散于盛裝有150mL蒸餾水的燒杯中，磁力攪拌1h后，得到混合溶液；
b、將第一步中制備的氧化石墨烯處理棉織物樣品浸入至混合溶液中，再向燒杯中逐滴加入75mL無(wú)水乙醇，用保鮮膜將燒杯口密封，靜置6h，將反應(yīng)后的棉織物樣品洗滌至中性，100℃下將棉織物樣品烘干；
(3)將制備的棉織物樣品進(jìn)行碳化處理：
a、在氮?dú)鈿夥占?00℃條件下低溫?zé)峤?h；
b、800℃高溫完全碳化，氧化石墨烯在高溫環(huán)境中被還原為石墨烯，得到二氧化錳/石墨烯復(fù)合碳化棉織物。
上述棉織物樣品為平布、麻紗、斜紋布中的一種。
上述氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的濃度為1-10mg mL-1。
實(shí)施例2：
一種二氧化錳/石墨烯復(fù)合碳化棉織物的制備方法，具體包括以下步驟：
(1)氧化石墨烯浸泡-涂覆處理棉織物：
a、按氧化石墨烯原料∶去離子水為1g∶1.1L的比例，將氧化石墨烯原料加入到去離子水中，控制溫度20℃，超聲震蕩處理90min后，得到氧化石墨烯分散液；
b、將大小為2×5cm的棉織物樣品完全浸沒(méi)至氧化石墨烯分散液中，2h后，待棉織物樣品完全浸潤(rùn)后取出，在25℃條件下，自然晾干；
(2)將二氧化錳納米粒子沉積在氧化石墨烯涂層表面：
a、取0.2860g的高錳酸鉀粉末，分散于盛裝有150mL蒸餾水的燒杯中，磁力攪拌1h后，得到混合溶液；
b、將第一步中制備的氧化石墨烯處理棉織物樣品浸入至混合溶液中，再向燒杯中逐滴加入75mL無(wú)水乙醇，用保鮮膜將燒杯口密封，靜置6h，將反應(yīng)后的棉織物樣品洗滌至中性，100℃下將棉織物樣品烘干；
(3)將制備的棉織物樣品進(jìn)行碳化處理：
a、在氮?dú)鈿夥占?00℃條件下低溫?zé)峤?h；
b、800℃高溫完全碳化，氧化石墨烯在高溫環(huán)境中被還原為石墨烯，得到二氧化錳/石墨烯復(fù)合碳化棉織物。
上述棉織物樣品為平布、麻紗、斜紋布中的一種。
上述氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的濃度為1-10mg mL-1。
實(shí)施例3：
一種二氧化錳/石墨烯復(fù)合碳化棉織物的制備方法，具體包括以下步驟：
(1)氧化石墨烯浸泡-涂覆處理棉織物：
a、按氧化石墨烯原料∶去離子水為1g∶1.2L的比例，將氧化石墨烯原料加入到去離子水中，控制溫度30℃，超聲震蕩處理90min后，得到氧化石墨烯分散液；
b、將大小為2×5cm的棉織物樣品完全浸沒(méi)至氧化石墨烯分散液中，2h后，待棉織物樣品完全浸潤(rùn)后取出，在30℃條件下，自然晾干；
(2)將二氧化錳納米粒子沉積在氧化石墨烯涂層表面：
a、取0.2860g的高錳酸鉀粉末，分散于盛裝有150mL蒸餾水的燒杯中，磁力攪拌1h后，得到混合溶液；
b、將第一步中制備的氧化石墨烯處理棉織物樣品浸入至混合溶液中，再向燒杯中逐滴加入75mL無(wú)水乙醇，用保鮮膜將燒杯口密封，靜置6h，將反應(yīng)后的棉織物樣品洗滌至中性，100℃下將棉織物樣品烘干；
(3)將制備的棉織物樣品進(jìn)行碳化處理：
a、在氮?dú)鈿夥占?00℃條件下低溫?zé)峤?h；
b、800℃高溫完全碳化，氧化石墨烯在高溫環(huán)境中被還原為石墨烯，得到二氧化錳/石墨烯復(fù)合碳化棉織物。
進(jìn)一步的，所述棉織物樣品為平布、麻紗、斜紋布中的一種。
進(jìn)一步的，所述氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的濃度為1-10mg mL-1。
所述二氧化錳/石墨烯復(fù)合碳化棉織物在電流密度為100mA/g時(shí)，首次放電量可達(dá)356mAh/g，經(jīng)70循環(huán)后比電容穩(wěn)定在329.4mAh/g，保容率可達(dá)92.5％；在施加電壓U＝15V條件下，5min內(nèi)碳化材料溫度可升高36℃。此外，該碳化棉織物展現(xiàn)出靈敏的應(yīng)力-感應(yīng)性能，其標(biāo)準(zhǔn)電阻(R-R0)/R0隨變形的增大而增大。在一定應(yīng)變(曲率為0.6)條件下，標(biāo)準(zhǔn)電阻(R-R0)/R0可達(dá)0.78。所制備碳化棉織物具有優(yōu)良的電化學(xué)、電熱和應(yīng)力-感應(yīng)性能。 二氧化錳/石墨烯復(fù)合碳化棉織物的成功制備有助于柔性超電容器、鋰離子電池的電極、保溫服裝和傳感器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。
以上所述僅為發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。