本發(fā)明涉及多孔纖維材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高比表面積多孔碳纖維的制備方法。

背景技術(shù)：

碳纖維由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)以及特性被廣泛地用做大分子吸收材料、超級(jí)電容器、電池、催化劑載體、氣體或液體的過濾以及場(chǎng)發(fā)射顯示材料等。靜電紡絲法是制備碳纖維的一種非常簡(jiǎn)便而且高效的方法，并且由于成本低廉受到了大家的廣泛關(guān)注。但是普通的靜電紡絲法制備的碳纖維是無孔結(jié)構(gòu)的碳纖維，比表面積都較低，這大大限制了碳纖維的應(yīng)用。針對(duì)這個(gè)缺點(diǎn)，近年來高比表面多孔碳纖維及其制備引起了人們廣泛的研究興趣，成為研究開發(fā)的熱點(diǎn)。

文獻(xiàn)表面多孔碳纖維雖然有高的比表面積，但其多數(shù)是由微孔表面產(chǎn)生，離子遷移阻力大，導(dǎo)致其功率特性和頻率響應(yīng)特性欠佳。而含有介孔的碳纖維具有較大的比表面積、獨(dú)特的孔徑結(jié)構(gòu)、良好的導(dǎo)電性等優(yōu)點(diǎn)，能夠提供巨大的反應(yīng)界面、快速的離子傳輸通道。同時(shí)，含有介孔的碳纖維有利于活性物質(zhì)的均勻負(fù)載、鋰離子的輸運(yùn)、電解質(zhì)溶液的擴(kuò)散以及緩沖鋰離子化，因此是一種良好的電極材料載體。然而目前關(guān)于制備含有介孔的碳纖維的方法主要是以軟模板法、硬模板法或者是將PMMA、氯化銨、偶氮二甲酸二異丙酯等造孔劑加入到紡絲原液中，通過煅燒造孔為主。但是，一般通過煅燒產(chǎn)生的微孔由于無法浸潤而無法提高材料的性能，因此發(fā)展一種性能更優(yōu)越的適用于作為催化劑載體、超級(jí)電容器以及鋰離子電池等方面的多孔碳纖維具有非常重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)以上技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種高比表面積多孔碳纖維的制備方法。

為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種高比表面積多孔碳纖維的制備方法，包括以下步驟：將包括聚丙烯腈、造孔劑和N,N-二甲基甲酰胺的紡絲液進(jìn)行靜電紡絲后碳化，經(jīng)過熱堿洗干燥后得到所述高比表面多孔碳纖維。

所述聚丙烯腈、造孔劑和N,N-二甲基甲酰胺的重量份配比為1：0.04-0.2：5-10；

所述的聚丙烯腈為市售產(chǎn)品，數(shù)均分子量為50w-300w；

所述致孔劑為納米二氧化硅，尺寸為7-14nm。

所述碳化步驟依次包括在空氣中的預(yù)氧化和惰性氣氛中的高溫碳化。

所述預(yù)氧化步驟中，溫度為180-250℃，時(shí)間為1-4小時(shí)。

所述高溫碳化步驟中，溫度為700~900℃，碳化時(shí)間為1~3小時(shí)，之后自然降溫冷卻，整個(gè)過程保持在惰性氣氛中。

所述熱堿洗步驟中，堿選自氫氧化鈉、氫氧化鉀中的至少一種；所述堿的濃度為0.5-2M；時(shí)間為12小時(shí)，溫度為100℃。熱堿洗的目的是為了除去纖維內(nèi)部的二氧化硅。

由于上述本發(fā)明提供的高比表面多孔碳纖維具有高比表面，而且同時(shí)具有微孔和介孔結(jié)構(gòu)，使得該高比表面多孔碳纖維對(duì)于離子的傳質(zhì)有著很好的優(yōu)勢(shì)。因而，本發(fā)明的多孔碳纖維適合在制備超級(jí)電容器、鋰離子電池、催化劑載體中的應(yīng)用。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明的碳纖維具有非常高的比表面積，同時(shí)兼具微孔和介孔結(jié)構(gòu)， 特別適用于在制備超級(jí)電容器、鋰離子電池、催化劑載體中的應(yīng)用。

與現(xiàn)有高比表面碳纖維制備方法相比，本發(fā)明提供的方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：與現(xiàn)有的制備多孔碳纖維的方法不同，本發(fā)明引入了納米二氧化硅作為造孔劑，使用熱堿洗法去除纖維的二氧化硅，而非現(xiàn)有的堿活化法、蒸汽活化法以及熱分解性共聚物造孔法等，制備的多孔碳纖維具有高比表面和豐富的微孔和介孔結(jié)構(gòu)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法制備的高比表面積碳纖維的SEM照片。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例一制備的碳纖維的氮?dú)馕矫摳降葴鼐€。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：將1重量份的聚丙烯腈，0.04重量份的造孔劑加入到6重量份的N,N-二甲基甲酰胺溶劑中，充分?jǐn)嚢璺稚⒌渺o電紡絲原液；

將靜電紡絲原液在靜電紡絲設(shè)備上進(jìn)行紡絲得到纖維(前驅(qū)體纖維)，靜電紡絲參數(shù)為：紡絲針頭G30，紡絲電壓25kV，紡絲距離20cm；將纖維在180℃下預(yù)氧化4小時(shí)，之后，將固化纖維膠置于管式碳化爐中，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下從室溫以5℃/min的加熱速率升溫至700℃，恒溫碳化3小時(shí)，自然降溫冷卻后放入溫度為100℃的0.5M的氫氧化鈉溶液中加熱12小時(shí)，把堿沖洗干凈后烘干得到高比表面積多孔碳纖維。如圖1、2所示，在77K下進(jìn)行氮?dú)馕綔y(cè)試比表面積為840m²/g，微孔比表面積為428m²/g，平均孔徑大小為2.34nm。

實(shí)施例2：將1重量份的聚丙烯腈，0.2重量份的造孔劑加入到5重量份的N,N-二甲基甲酰胺溶劑中，充分?jǐn)嚢璺稚⒌渺o電紡絲原液；

將靜電紡絲原液在靜電紡絲設(shè)備上進(jìn)行紡絲得到纖維(前驅(qū)體纖維)，靜電紡絲參數(shù)為：紡絲針頭G30，紡絲電壓25kV，紡絲距離20cm；將纖維在250℃下預(yù)氧化1小時(shí)，之后，將固化纖維膠置于管式碳化爐中，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下從室溫以5℃/min的加熱速率升溫至900℃，恒溫碳化1小時(shí)，自然降溫冷卻后放入溫度為100℃的2M的氫氧化鈉溶液中加熱12小時(shí)，把堿沖洗干凈后烘干得到高比表面積多孔碳纖維。

實(shí)施例3：將1重量份的聚丙烯腈，0.1重量份的造孔劑加入到10重量份的N,N-二甲基甲酰胺溶劑中，充分?jǐn)嚢璺稚⒌渺o電紡絲原液；

將靜電紡絲原液在靜電紡絲設(shè)備上進(jìn)行紡絲得到纖維(前驅(qū)體纖維)，靜電紡絲參數(shù)為：紡絲針頭G30，紡絲電壓25kV，紡絲距離20cm；將纖維在200℃下預(yù)氧化2小時(shí)，之后，將固化纖維膠置于管式碳化爐中，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下從室溫以5℃/min的加熱速率升溫至800℃，恒溫碳化2小時(shí)，自然降溫冷卻后放入溫度為100℃的1M的氫氧化鈉溶液中加熱12小時(shí)，把堿沖洗干凈后烘干得到高比表面積多孔碳纖維。

實(shí)施例4：將1重量份的聚丙烯腈，0.05重量份的造孔劑加入到6重量份的N,N-二甲基甲酰胺溶劑中，充分?jǐn)嚢璺稚⒌渺o電紡絲原液；

將靜電紡絲原液在靜電紡絲設(shè)備上進(jìn)行紡絲得到纖維(前驅(qū)體纖維)，靜電紡絲參數(shù)為：紡絲針頭G30，紡絲電壓25kV，紡絲距離20cm；將纖維在220℃下預(yù)氧化2小時(shí)，之后，將固化纖維膠置于管式碳化爐中，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下從室溫以5℃/min的加熱速率升溫至900℃，恒溫碳化3小時(shí)，自然降溫冷卻后放入溫度為100℃的0.5M的氫氧化鈉溶液中加熱12小時(shí)，把堿沖洗干凈后烘干得到高比表面積多孔碳纖維。