本發(fā)明屬于電催化材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氮/磷共摻雜碳纖維及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著全球經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，能源問(wèn)題已成為全球性關(guān)注的一大焦點(diǎn)問(wèn)題。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展導(dǎo)致對(duì)能源的需求量日益增多，所以，能提高能源材料利用率的催化材料成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)。目前，性能良好的催化劑仍然是以鉑等為主的貴金屬催化劑，因此，開發(fā)低廉高效的非貴金屬氧還原催化劑具有更為重要的實(shí)際意義。一些新型納米碳材料，如碳納米管(cnt)、碳納米球、碳纖維、富勒烯c60、石墨烯等由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，如較高的比表面積、良好的導(dǎo)電性及離子傳輸速率，在催化劑領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為進(jìn)一步提高納米碳材料有效活性位點(diǎn)的暴露、電催化效率及穩(wěn)定性，本發(fā)明提供一種氮/磷共摻雜碳纖維的制備方法。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案如下：

提供一種氮/磷共摻雜碳纖維的制備方法，包括：將n,n-二甲基甲酰胺、磷酸三苯酯和聚丙烯腈混合，得到電紡溶液；然后采用電紡溶液進(jìn)行靜電紡絲，制備聚合物纖維；再將所述聚合物纖維進(jìn)行碳化熱處理，得到所述氮/磷共摻雜碳纖維。

同時(shí)，本發(fā)明還提供了上述方法制備得到的氮/磷共摻雜碳纖維。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明提供的氮/磷共摻雜碳纖維具有較高的電導(dǎo)率及化學(xué)穩(wěn)定性，在反應(yīng)中能實(shí)現(xiàn)較快的電子傳輸及保持原材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，而氮、磷的共摻雜，暴露了碳纖維表面更多的活性位點(diǎn)，使碳纖維的電催化及其它儲(chǔ)能性能得到顯著提升。不同于一般的碳纖維，通過(guò)本發(fā)明方法制備得到的氮/磷共摻雜碳纖維中，氮元素和磷元素均勻分布，表面平坦，比表面積大，該纖維具有表面積較大的褶皺表面，制備的碳纖維具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，使得電化學(xué)過(guò)程中電子可以快捷有效地傳輸，使氮、磷的共摻雜使電催化性能大大提高。

2、制備工藝簡(jiǎn)單，易于控制和操作，生產(chǎn)周期短，是一種有效快捷的制備方法。在本發(fā)明中，原材料都簡(jiǎn)單易得，制備工藝簡(jiǎn)單，且易于控制和操作，合成的氮、磷共摻雜碳纖維擁有較高的電催化性能，因此，本發(fā)明具有一定的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1制備得到的氮/磷共摻雜碳纖維的sem圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例2制備得到的氮/磷共摻雜碳纖維的sem圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例3制備得到的氮/磷共摻雜碳纖維的sem圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例4制備得到的氮/磷共摻雜碳纖維的sem圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例5制備得到的氮/磷共摻雜碳纖維的sem圖；

圖6為實(shí)施例1～5制備得到的氮/磷共摻雜碳纖維的工作電極的極化曲線。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明提供的氮/磷共摻雜碳纖維的制備方法具體包括：將n,n-二甲基甲酰胺、磷酸三苯酯和聚丙烯腈混合，得到電紡溶液；然后采用電紡溶液進(jìn)行靜電紡絲，制備聚合物纖維；再將所述聚合物纖維進(jìn)行碳化熱處理，得到所述氮/磷共摻雜碳纖維。

根據(jù)本發(fā)明，首先，配制電紡溶液，該電紡溶液包括n,n-二甲基甲酰胺、磷酸三苯酯和聚丙烯腈。電紡溶液中，n,n-二甲基甲酰胺、磷酸三苯酯和聚丙烯腈的相對(duì)含量可在較大范圍內(nèi)變動(dòng)，優(yōu)選情況下，所述電紡溶液中，磷酸三苯酯：n,n-二甲基甲酰胺：聚丙烯腈的質(zhì)量比為0.8-1.5：4.0-6.0：0.4-0.6。

上述n,n-二甲基甲酰胺、磷酸三苯酯和聚丙烯腈均為化學(xué)領(lǐng)域公知的材料，可通過(guò)常規(guī)商購(gòu)得到。本發(fā)明中，優(yōu)選情況下，所述聚丙烯腈的重均分子量為15000-150000。

配制得到上述電紡溶液后，即可進(jìn)行靜電紡絲處理。本發(fā)明中，靜電紡絲所采用的設(shè)備可采用現(xiàn)有技術(shù)中所常用的各種靜電紡絲設(shè)備，優(yōu)選情況下，進(jìn)行所述靜電紡絲時(shí)，以鋁制散熱板作為收集基底，紡絲針頭的內(nèi)徑為0.6-1.0mm，噴絲口距收集基底10-15cm。

靜電紡絲的條件可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)選情況下，進(jìn)行所述靜電紡絲時(shí)，電紡溶液的噴速為0.4-0.6ml/h，高壓電源電壓區(qū)間為8-12kv。

通過(guò)上述靜電紡絲處理即可獲得聚合物纖維。然后再對(duì)上述聚合物纖維進(jìn)行碳化熱處理，形成所述氮/磷共摻雜碳纖維。本發(fā)明中，優(yōu)選情況下，所述碳化熱處理的溫度為800-1100℃，時(shí)間為2-6h，升溫速率是2-8℃/min。

本發(fā)明還公開了通過(guò)上述方法制備得到的氮/磷共摻雜碳纖維。所述氮/磷共摻雜碳纖維中，氮含量為5-20wt％，磷含量為5-20wt％。

優(yōu)選情況下，本發(fā)明提供的方法制備得到的氮/磷共摻雜碳纖維的直徑為150-700nm。

通過(guò)本發(fā)明提供的方法制備得到的氮/磷共摻雜碳纖維具有較高的電導(dǎo)率及化學(xué)穩(wěn)定性，在反應(yīng)中能實(shí)現(xiàn)較快的電子傳輸及保持原材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，而氮、磷的共摻雜，暴露了碳纖維表面更多的活性位點(diǎn)，使碳纖維的電催化及其它儲(chǔ)能性能得到顯著提升。不同于一般的碳纖維，通過(guò)本發(fā)明方法制備得到的氮/磷共摻雜碳纖維中，氮元素和磷元素均勻分布，表面平坦，比表面積大，該纖維具有表面積較大的褶皺表面，制備的碳纖維具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，使得電化學(xué)過(guò)程中電子可以快捷有效地傳輸，使氮、磷的共摻雜使電催化性能大大提高。

并且，本發(fā)明提供的方法制備工藝簡(jiǎn)單，易于控制和操作，生產(chǎn)周期短，是一種有效快捷的制備方法。在本發(fā)明中，原材料都簡(jiǎn)單易得，制備工藝簡(jiǎn)單，且易于控制和操作，合成的氮、磷共摻雜碳纖維擁有較高的電催化性能，因此，本發(fā)明具有一定的應(yīng)用前景。

以下通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明。

實(shí)施例1

本實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明公開的氮/磷共摻雜碳纖維及其制備方法。

將1.2g磷酸三苯酯和0.4g聚丙烯腈溶于5.5gn,n-二甲基甲酰胺，并在60℃溫度下劇烈攪拌24h，配制電紡溶液。上述磷酸三苯酯和n,n-二甲基甲酰胺分別購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，聚丙烯腈購(gòu)自sigma-aldrich公司，分子量為mw＝150000。

然后利用常規(guī)的電紡設(shè)備進(jìn)行靜電紡絲，制備聚合物纖維。電紡所用高壓電源為東文高壓電源(天津)有限公司生產(chǎn)的高壓電源。電紡時(shí)利用鋁制散熱板作為收集基底，紡絲針頭的內(nèi)徑為0.8mm，電紡溶液的噴速0.4ml/h，噴絲口距收集基底12cm，電壓設(shè)置為8kv。

將上述靜電紡絲得到的聚合物纖維置于管式爐中，以50ml/min的流速通入純度為99.99％的氬氣，以5℃/min的升溫速率加熱到800℃，恒溫2h，然后自然冷卻到室溫，得到黑色目標(biāo)產(chǎn)物，所用管式爐為安徽貝意克設(shè)備技術(shù)有限公司生產(chǎn)的開啟式真空管式爐。

經(jīng)元素含量分析，本實(shí)施例1中氮、磷元素含量分別為6wt％和8wt％。

電催化測(cè)試采用電化學(xué)工作站，在三電極電解池中以玻碳電極為工作電極，鉑絲電極為對(duì)比電極，氯化銀電極為參比電極，0.1mol·l^-1的氫氧化鉀溶液為電解質(zhì)，工作電極轉(zhuǎn)速為800～2000rpm·min^-1，線性掃描速率為5mv·s^-1下獲得不同轉(zhuǎn)速的極化曲線。

圖1為本實(shí)施例1制備的氮/磷共摻雜碳纖維，碳纖維直徑約為200-300納米。

實(shí)施例2

本實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明公開的氮/磷共摻雜碳纖維及其制備方法。

將0.8g磷酸三苯酯和0.4g聚丙烯腈溶于6.0gn,n-二甲基甲酰胺，并在60℃溫度下劇烈攪拌24h，配制得到電紡溶液。

然后利用常規(guī)電紡設(shè)備進(jìn)行靜電紡絲，制備聚合物纖維。電紡時(shí)利用鋁制散熱板作為收集基底，紡絲針頭的內(nèi)徑為0.8mm，電紡溶液的噴速0.4ml/h，噴絲口距收集基底12cm，電壓設(shè)置為8kv。

將上述靜電紡絲得到的聚合物纖維置于管式爐中，以50ml/min的流速通入純度為99.99％的氬氣，以5℃/min的升溫速率加熱到800℃，恒溫2h，然后自然冷卻到室溫，得到黑色目標(biāo)產(chǎn)物。

經(jīng)元素含量分析，本實(shí)施例2中氮、磷元素含量分別為9wt％和7wt％。

電極性能測(cè)試同實(shí)施例1。

圖2為本實(shí)施例2制備的氮/磷共摻雜碳纖維，碳纖維直徑約為200-600納米。

實(shí)施例3

本實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明公開的氮/磷共摻雜碳纖維及其制備方法。

將1.2g磷酸三苯酯和0.4g聚丙烯腈溶于5.5gn,n-二甲基甲酰胺，并在60℃溫度下劇烈攪拌24h，配制得到電紡溶液。

然后利用常規(guī)電紡設(shè)備進(jìn)行靜電紡絲，制備聚合物纖維。電紡時(shí)利用鋁制散熱板作為收集基底，紡絲針頭的內(nèi)徑為0.8mm，電紡溶液的噴速0.5ml/h，噴絲口距收集基底12cm，電壓設(shè)置為10kv。

將上述靜電紡絲得到的聚合物纖維置于管式爐中，以50ml/min的流速通入純度為99.99％的氬氣，以5℃/min的升溫速率加熱到800℃，恒溫2h，然后自然冷卻到室溫，得到黑色目標(biāo)產(chǎn)物。

經(jīng)元素含量分析，本實(shí)施例3中氮、磷元素含量分別為10wt％和8wt％。

電極性能測(cè)試同實(shí)施例1。

圖3為本實(shí)施例3制備的氮/磷共摻雜碳纖維，碳纖維直徑約為200-300納米。

實(shí)施例4

本實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明公開的氮/磷共摻雜碳纖維及其制備方法。

將1.5g磷酸三苯酯和0.6g聚丙烯腈溶于5.5gn,n-二甲基甲酰胺，并在60℃溫度下劇烈攪拌24h，配制得到電紡溶液。

然后利用常規(guī)電紡設(shè)備進(jìn)行靜電紡絲，制備聚合物纖維。電紡時(shí)利用鋁制散熱板作為收集基底，紡絲針頭的內(nèi)徑為0.8mm，電紡溶液的噴速0.5ml/h，噴絲口距收集基底12cm，電壓設(shè)置為10kv。

將上述靜電紡絲得到的聚合物纖維置于管式爐中，以50ml/min的流速通入純度為99.99％的氬氣，以5℃/min的升溫速率加熱到900℃，恒溫2h，然后自然冷卻到室溫，得到黑色目標(biāo)產(chǎn)物。

經(jīng)元素含量分析，本實(shí)施例4中氮、磷元素含量分別為12wt％和8wt％。

電極性能測(cè)試同實(shí)施例1。

圖4為本實(shí)施例4制備的氮/磷共摻雜碳纖維，碳纖維直徑約為200-500納米。

實(shí)施例5

本實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明公開的氮/磷共摻雜碳纖維及其制備方法。

將1.5g磷酸三苯酯和0.6g聚丙烯腈溶于4.0gn,n-二甲基甲酰胺，并在60℃溫度下劇烈攪拌24h，配制得到電紡溶液。

然后利用常規(guī)電紡設(shè)備進(jìn)行靜電紡絲，制備聚合物纖維。電紡時(shí)利用鋁制散熱板作為收集基底，紡絲針頭的內(nèi)徑為0.8mm，電紡溶液的噴速0.6ml/h，噴絲口距收集基底12cm，電壓設(shè)置為12kv。

將上述靜電紡絲得到的聚合物纖維置于管式爐中，以50ml/min的流速通入純度為99.99％的氬氣，以5℃/min的升溫速率加熱到1000℃，恒溫2h，然后自然冷卻到室溫，得到黑色目標(biāo)產(chǎn)物。

經(jīng)元素含量分析，本實(shí)施例5中氮、磷元素含量分別為15wt％和10wt％。

電極性能測(cè)試同實(shí)施例1。

圖5為本實(shí)施例5制備的氮/磷共摻雜碳纖維，碳纖維直徑約為150-700納米。

圖6為實(shí)施例1～5制備得到的氮/磷共摻雜碳纖維的工作電極的極化曲線。

通過(guò)本發(fā)明提供的方法制備得到的氮/磷共摻雜碳纖維具有較高的電導(dǎo)率及化學(xué)穩(wěn)定性，在反應(yīng)中能實(shí)現(xiàn)較快的電子傳輸及保持原材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，而氮、磷的共摻雜，暴露了碳纖維表面更多的活性位點(diǎn)，使碳纖維的電催化及其它儲(chǔ)能性能得到顯著提升。不同于一般的碳纖維，通過(guò)本發(fā)明方法制備得到的氮/磷共摻雜碳纖維中，氮元素和磷元素均勻分布，表面平坦，比表面積大，該纖維具有表面積較大的褶皺表面，制備的碳纖維具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，使得電化學(xué)過(guò)程中電子可以快捷有效地傳輸，使氮、磷的共摻雜使電催化性能大大提高。

并且，本發(fā)明提供的方法制備工藝簡(jiǎn)單，易于控制和操作，生產(chǎn)周期短，是一種有效快捷的制備方法。在本發(fā)明中，原材料都簡(jiǎn)單易得，制備工藝簡(jiǎn)單，且易于控制和操作，合成的氮、磷共摻雜碳纖維擁有較高的電催化性能，因此，本發(fā)明具有一定的應(yīng)用前景。

以上所述僅為本發(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、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。