一种介孔碳纳米纤维的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种介孔碳纳米纤维的制备方法，其特征在于：先氧化碳纳米纤维，然后将氧化的碳纳米纤维在微波炉中加热膨胀，最后进行碳化，即可得到介孔碳纳米纤维。本发明制备的介孔碳纳米纤维的孔径可控且分布窄，比表面积较大，应用范围广。该制备方法具有流程简单，易控制，产率高，生产成本低，可规模化生产等优点，其制备技术极易推广应用。
【专利说明】一种介孔碳纳米纤维的制备方法
【技术领域】[0001]本发明涉及碳材料领域，尤其涉及一种介孔碳纳米纤维的制备方法。
【背景技术】[0002]具有介孔结构的碳材料，集介孔材料与碳材料的优点于一体，具有较高的比表面积、优良的吸附性能、耐高温、耐酸碱、良好的导电性和导热性等特点，在储能、吸附分离有机大分子和催化剂载体等应用领域越来越显示出其优越性。碳纳米纤维作为碳材料其中的一种，已被用于复合材料、电化学和能源储存等领域。[0003]碳纳米纤维的一缺点就是表面无孔，这就限制其在催化和吸附等方面的应用。如果能在碳纳米纤维表面插入介孔，势必提高它的比表面积，从而提高它的性能并拓宽它的使用范围。[0004]引入介孔的方法主要包括模板法和活化法。模板法由于模板材料的限域效应，虽然能控制孔径，但制备工艺较复杂。活化法难以有效控制介孔的结构、尺寸和孔分布，而且形成的是以微孔为主，且孔径分布较宽，在应用上存在局限性。所以，开发一种简单易行、成本低廉且大批量制备孔径可控且分布窄的介孔碳纳米纤维的方法是当前一项有意义且富有挑战性的课题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提出一种制备介孔碳纳米纤维的方法，其不用模板剂和活化剂便可在碳纳米纤维上形成介孔。[0006]为了实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案:[0007]一种介孔碳纳米纤维的制备方法，包括如下步骤:[0008]步骤一:对碳纳米纤维进行氧化处理；[0009]步骤二:将所述氧化的碳纳米纤维放置于微波炉中，设置频率为30MHz~30GHz，功率为50W~2000W，在惰性气体气氛条件下加热5s~600s ；[0010]步骤三:在600°C~1000°C、惰性气体气氛条件下，对步骤二获得的样品进行碳化30min~3h,即得到所述介孔碳纳米纤维。[0011 ] 上述步骤一中，所述碳纳米纤维为板式或鱼骨状碳纳米纤维。[0012]上述步骤一中，对所述碳纳米纤维进行氧化处理包括如下步骤:将质量比为2:1:100~1:4:1000的碳纳米纤维、硝酸钾和98wt.%浓硫酸的混合物冷却至0°C~5°C,边搅拌边加入与碳纳米纤维的质量比为1:2~1:5的高锰酸钾，体系的温度保持在5°C~100C，然后在30°C~50°C的油浴中搅拌1h~3h后，把溶液倒入冰中，再加入与高锰酸钾的质量比为1:2~1:4的双氧水，然后离心，再用浓度为5wt.0Z0~IOwt.%的盐酸进行洗涤，离心，冷冻干燥即得到氧化的碳纳米纤维。[0013]上述步骤二中所述惰性气体为氮气、氩气、氦气中的一种或其中几种的混合。[0014]上述步骤三中所述惰性气体为氮气、氩气、氦气中的一种或其中几种的混合。[0015]本发明提出的一种介孔碳纳米纤维的制备方法，有益效果是:
[0016](I)微波加热膨胀法制备的介孔碳纳米纤维的孔径可控且分布较窄，可应用于催化、吸附、超级电容器、锂离子电池等领域。
[0017](2)该制备方法具有流程简单，易控制，产率高，生产成本低，可规模化生产等优点，其制备技术极易推广应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为实施例1制备的介孔碳纳米纤维的氮气吸附脱附等温线图；
[0019]图2为实施例1制备的介孔碳纳米纤维的孔径分布图；
[0020]图3为实施例2制备的介孔碳纳米纤维的透射电子显微镜照片。
【具体实施方式】
[0021]实施例1
[0022]本发明的一种介孔碳纳米纤维的制备方法，通过如下步骤实现:
[0023](I)氧化碳纳米纤维:将IOg板式碳纳米纤维、IOg硝酸钾和1000mL98wt.%浓硫酸的混合物冷却至(TC，边搅拌边加入25g高锰酸钾，体系的温度保持在5°C，然后在40°C的油浴中搅拌2h后，把溶液倒入冰中，再加入IOOmL双氧水，然后离心，再用浓度为IOwt.%的盐酸进行洗涤，离心，冷冻 干燥即得到氧化的碳纳米纤维。
[0024](2)微波加热膨胀:将所得的氧化的碳纳米纤维放置于微波炉中，设置频率为IOOMHz，功率为100W，在氮气气氛条件下加热300s。
[0025](3)碳化:在900°C、氮气气氛条件下对膨胀后的样品进行碳化2h，即得到所述的介孔碳纳米纤维。此介孔碳纳米纤维的比表面积为428m2/g，孔径为5.4nm。
[0026]本实施例所得的介孔碳纳米纤维的氮气吸附脱附等温线图如图1所示，介孔碳纳米纤维的孔径分布图如图2所示。
[0027]实施例2
[0028]本发明的一种介孔碳纳米纤维的制备方法，通过如下步骤实现:
[0029](I)氧化碳纳米纤维:将IOg鱼骨状碳纳米纤维、IOg硝酸钾和1000mL98wt.%浓硫酸的混合物冷却至(TC，边搅拌边加入25g高锰酸钾，体系的温度保持在5°C，然后在40°C的油浴中搅拌2h后，把溶液倒入冰中，再加入IOOmL双氧水，然后离心，再用浓度为IOwt.%的盐酸进行洗涤，离心，冷冻干燥即得到氧化的碳纳米纤维。
[0030](2)微波加热膨胀:将所得的氧化的碳纳米纤维放置于微波炉中，设置频率为200MHz，功率为500W，在氦气气氛条件下加热600s。
[0031](3)碳化:在700°C、氦气气氛条件下对膨胀后的样品进行碳化lh，即得到所述的介孔碳纳米纤维。此介孔碳纳米纤维的比表面积为367m2/g，孔径为7.7nm。
[0032]本实施例所得的介孔碳纳米纤维的透射电子显微镜照片如图3所示。
[0033]实施例3
[0034]本发明一种介孔碳纳米纤维的制备方法，实施例3的步骤(1)同实施例1，步骤(2)至步骤(3)如下:
[0035](2)微波加热膨胀:将所得的氧化的碳纳米纤维放置于微波炉中，设置频率为500MHz，功率为1000W，在氩气气氛条件下加热200s。
[0036] (3)碳化:在800°C、氩气气氛条件下对膨胀后的样品进行碳化3h，即得到所述的介孔碳纳米纤维。此介孔碳纳米纤维的比表面积为350m2/g，孔径为9.5nm。
[0037]实施例4
[0038]本发明一种介孔碳纳米纤维的制备方法，实施例4的步骤(1)同实施例2，步骤(2)至步骤(3)如下:
[0039](2)微波加热膨胀:将所得的氧化的碳纳米纤维放置于微波炉中，设置频率为1GHz，功率为1500W，在氮气气氛条件下加热50s。
[0040](3)碳化:在1000°C、氮气气氛条件下对膨胀后的样品进行碳化1.5h，即得到所述的介孔碳纳米纤维。此介孔碳纳米纤维的比表面积为297m2/g，孔径为11.7nm。
[0041]实施例5
[0042]本发明一种介孔碳纳米纤维的制备方法，实施例5的步骤(1)同实施例1，步骤(2)至步骤(3)如下:
[0043](2)微波加热膨胀:将所得的氧化的碳纳米纤维放置于微波炉中，设置频率为30GMHz，功率为2000W，在氩气气氛条件下加热5s。
[0044](3)碳化:在600°C、氮气气氛条件下对膨胀后的样品进行碳化2.5h，即得到所述的介孔碳纳米纤维。此介孔碳纳米纤维的比表面积为232m2/g，孔径为20.lnm。
[0045]实施例6
[0046]本发明一种介孔碳纳米纤维的制备方法，实施例6的步骤(1)同实施例2，步骤(2)至步骤(3)如下:
[0047](2)微波加热膨胀:将所得的氧化的碳纳米纤维放置于微波炉中，设置频率为30MHz，功率为50W，在氮气气氛条件下加热100s。
[0048](3)碳化:在800°C、氦气气氛条件下对膨胀后的样品进行碳化30min，即得到所述的介孔碳纳米纤维。此介孔碳纳米纤维的比表面积为412m2/g，孔径为7.3nm。
[0049]以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【权利要求】
1.一种介孔碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤一:对碳纳米纤维进行氧化处理； 步骤二:将所述氧化的碳纳米纤维放置于微波炉中，设置频率为30MHZ~30GHz，功率为50W~2000W，在惰性气体气氛条件下加热5s~600s ； 步骤三:在600°C~1000°C、惰性气体气氛条件下，对步骤二获得的样品进行碳化30min~3h,即得到所述介孔碳纳米纤维。
2.根据权利要求1所述的一种介孔碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述碳纳米纤维为板式或鱼骨状碳纳米纤维。
3.根据权利要求1所述的一种介孔碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，步骤一中，对所述碳纳米纤维进行氧化处理包括如下步骤:将质量比为2:1:100~1:4:1000的碳纳米纤维、硝酸钾和98wt.%浓硫酸的混合物冷却至0°C~5°C，边搅拌边加入与碳纳米纤维的质量比为1:2~1:5的高锰酸钾，体系的温度保持在5°C~10°C，然后在30°C~50°C的油浴中搅拌Ih~3h后，把溶液倒入冰中，再加入与高锰酸钾的质量比为1:2~1:4的双氧水，然后离心，再用浓度为5wt.%~IOwt.%的盐酸进行洗涤，离心，冷冻干燥即得到氧化的碳纳米纤维。
4.根据权利要求1所述的一种介孔碳纳米纤维的制备方法，其特征在于步骤二中所述惰性气体为氮气、氩气、氦气中的一种或其中几种的混合。
5.根据权利要求1所述的一种介孔碳纳米纤维的制备方法，其特征在于步骤三中所述惰性气体为氮气、氩气、氦气中的一种或其中几种的混合。
【文档编号】B82Y30/00GK103601171SQ201310548289
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月6日 优先权日:2013年11月6日
【发明者】范乐庆, 吴季怀 申请人:华侨大学