一种碳纤维的表面改性方法
【专利摘要】本发明涉及一种碳纤维的表面改性方法。先将工业碳纤维毛毡和活泼金属分层置于惰性材质容器中，工业碳纤维毛毡置于上层，活泼金属置于下层，工业碳纤维毛毡：活泼金属＝0.05～5g:2～20g；在惰性气体保护下，以1～50℃/min的速率升温至890～1700℃并保温1～24h，再冷却至室温后用水清洗，洗液pH值为7时，剩余的活泼金属被洗去，最后于120℃空气气氛中烘干，得到以介孔为主，且形成交织的多层石墨烯结构的表面改性碳纤维材料；本发明工艺简单，成本低廉；用该表面改性碳纤维材料制成电极可避免因使用粘结剂和导电剂导致电极材料能量密度的降低，而且在大电流充放电条件下，该材料具有大的质量比电容和良好的电容保持率，在超级电容器和电吸附除盐等领域具有广泛的应用前景。
【专利说明】一种碳纤维的表面改性方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种碳纤维的表面改性方法。属于制作电极材料的碳纤维材料制备【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着能源日益短缺，生态环境日益恶化，人类将更加依赖洁净和可再生的新能源。超级电容器作为一种新型储能装置具有高放电比功率、优异的瞬时充放电性能、循环寿命长等特点，可应用于混合动力车、备用电源、便携电子设备、数字通信和微电子装置等。决定超级电容器性能的关键因素是电极材料。碳基材料(如活性炭、碳纳米管和石墨烯等)具有高比表面积、高电化学导电性等优点，已成为超级电容器的重要电极材料。碳材料的多孔性和导电性是影响碳电极材料电容性能的重要因素。其中，碳电极材料多孔性影响其比电容和充放电速率，碳电极材料导电性可以提高电子传导率，有利于材料在大电流充放电条件下的使用。目前应用于超级电容器的碳材料多采用活化及石墨法的方法进行改性。经过活化改性的碳材料，比表面积得到很大的提高，但是多数为微孔。在大电流充放电条件下，活化改性碳材料的比表面利用率会急剧下降，而且大电流充放电下器件严重发热，限制了超级电容器的应用范围。经过石墨化改性的碳材料虽然可以提高导电性，但是碳材料的比表面积会大幅度减小，造成改性后的碳材料的比电容下降。因此，亟需发展一种制备以介孔为主并具有良好导电性的碳材料，用该碳材料制作的电极能够在大电流充放电条件下使用并具有良好电化学性能。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种工艺简单，成本低廉的碳纤维表面改性方法，用本发明的方法得到的碳材料能在大电流充放电条件下，具有大的质量比电容和良好电容保持率。
[0004]为了达到上述目的，本发明将作为表面改性剂的活泼金属，片状工业碳纤维毛毡在管式炉中惰性气体保护下，进行改性，得到表面改性碳纤维材料。
[0005]具体工艺如下:
[0006]先将工业碳纤维毛毡和活泼金属分层置于惰性材质容器中，工业碳纤维毛毡置于上层，活泼金属置于下层，工业碳纤维毛毡:活泼金属=0.05?5g:2?20g ;在惰性气体氩气或氮气保护下，以I?50°C /min的速率升温至890?1700°C并保温I?24h，再冷却至室温；接着，用水清洗，洗液PH值为7时，剩余的活泼金属被洗去，最后于120°C空气气氛中烘干，得到以介孔为主，并且形成交织的多层石墨烯结构的表面改性碳纤维材料。
[0007]上述工业碳纤维毛毡为普通市售片状工业碳纤维毛毡，包括浙青基碳纤维毛毡，聚丙烯腈基碳纤维毛毡，或黏胶基碳纤维毛毡。
[0008]上述活泼金属包括金属锂、金属钠、金属钾和金属铯。
[0009]上述惰性材质容器是具有不会与活泼金属发生化学反应的惰性材质内衬的容器，惰性材料包括氧化铝，氮化硅、氮化铝或氮化硼。
[0010]本发明具有如下优点:
[0011]1.由于本发明将作为表面改性剂的活泼金属，片状工业碳纤维毛毡在管式炉中惰性气体保护下，进行改性，与现有的采用活化及石墨法的方法进行改性的碳材料相比，具有大的比表面积和丰富的介孔结构，有利于提高材料导电性，降低电解质在其中的传输阻力。
[0012]2.由于本发明将活泼金属和片状工业碳纤维毛毡改性过程中通过冷却、水清洗、烘干等，因此得到了以介孔为主，并且形成交织的多层石墨烯结构的表面改性碳纤维材料。
[0013]3.本发明的制备方法简单，不需要复杂设备，生产成本低廉，所制得的表面改性碳纤维材料在大电流充放电条件下，具有大的质量比电容和良好的电容保持率，且在电极制作过程中可避免因使用粘结剂和导电剂导致电极材料能量密度的降低，在超级电容器、电吸附除盐等方面有很大的应用潜力。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为实施例1所得样品的透射电子显微镜照片，显示出交织的多层石墨烯结构以及丰富的介孔存在。
[0015]图2为按实施例1所得样品的激光拉曼谱线，工业碳纤维毛毡原样的拉曼谱图也在图中作为对照。
[0016]图3为按实施例1所得样品在电流密度为20A/g条件下的充放电曲线，在大电流充放电情况下也能保持大的质量比电容。
[0017]图4为按实施例1所得样品在不同的扫描速率下的循环伏安曲线，在大扫描速率下也能保持大的质量比电容和良好的循环伏安性能。
【具体实施方式】
[0018]实施例1
[0019]将市售浙青基碳纤维毛毡剪成2*2cm的正方形小片，称取质量为0.075g的一片浙青基碳纤维毛毡，再称取2g的金属钠，将二者分层放置在氧化铝坩埚中，浙青基碳纤维毛毡位于上层，金属钠在下层。将坩埚置于管式电炉中，在管式炉中通入氮气，以10°C /min的速率升温至950°C并保温8h，经自然冷却至室温后，用水洗至中性，再于120°C空气气氛中烘干，得到表面改性碳纤维材料。
[0020]所得样品的透射电子显微镜照片见图1，从图1中显示出样品的交织的多层石墨烯结构以及丰富的介孔存在。
[0021]所得样品的激光拉曼谱线见图2，从图2中显示样品的拉曼谱图和作为对照的浙青基碳纤维毛毡原样的拉曼谱图，图中可以明显看到原样的拉曼谱图在没有G ‘峰的存在，而样品的拉曼谱图有尖锐的G’峰出现，说明改性之后碳纤维有多层石墨烯的结构出现。
[0022]所得样品在电流密度为20A/g条件下的充放电曲线见图3，图中可以看到在如此大电流充放电情况下也能保持123F/g的质量比电容。
[0023]实施例2
[0024]将市售聚丙烯腈基碳纤维毛毡剪成2*2cm的正方形小片，取其中的一片，称得质量为0.15g，称取IOg的金属钠，将二者分层放置在氮化硅坩埚中，聚丙烯腈基碳纤维毛毡位于上层，金属钠在下层。将坩埚置于管式电炉中，在管式炉中通入氮气，以20°C/min的速率升温至1500°C并保温8h，经自然冷却至室温后，用水洗至中性，再于120°C空气气氛中烘干，得到表面改性碳纤维材料。
[0025]实施例3
[0026]将市售黏胶基碳纤维毛毡剪成2*2cm的正方形小片，取其中一片，称得质量为
0.lg，称取Sg的金属钾，将二者分层放置在氧化铝坩埚中，黏胶基碳纤维毛毡位于上层，金属钠在下层。将坩埚置于管式电炉中，在管式炉中通入氩气，以5°C /min的速率升温至1000°C并保温12h，经自然冷却至室温后，用水洗至中性，再于120°C空气气氛中烘干，得到表面改性碳纤维材料。
[0027]实施例4
[0028]将市售浙青基碳纤维毛毡剪成4*4cm的正方形小片，取一片，称得质量为2g，称取15g的金属锂，将二者分层放置在氮化硅坩埚中，浙青基碳纤维毛毡位于上层，金属锂在下层。将坩埚置于管式电炉中，在管式炉中通入氩气，以50°C /min的速率升温至1700°C并保温24h，经自然冷却至室温后，用水洗至中性，再于120°C空气气氛中烘干，得到表面改性碳纤维材料。
[0029]实施例5
[0030]将市售浙青基碳纤维毛毡剪成4*4cm的正方形小片，取一片，称得质量为0.075g，称取5g的金属钠，将二者分层放置在氧化铝坩埚中，浙青基碳纤维毛毡位于上层，金属钠在下层。将坩埚置于管式电炉中，在管式炉中通入氩气，以10°C /min的速率升温至1200°C并保温24h，经自然冷却至室温后，用水洗至中性，再于120°C空气气氛中烘干，得到表面改性碳纤维材料。
[0031]应用测试分析，请看图4。
[0032]取自上述实施例1中所得表面改性碳纤维材料作为电极材料，用两电极体系在6mol.L-1的KOH电解液中，于25°C在电位窗口 O~IV测试电极材料的质量比电容和循环伏安性能。测试结果表明，所得样品的电极材料，在不同扫描速率下的循环伏安曲线见图4，图中可以看到在700mV/s的大扫描速率情况下也能保持100F/g的质量比电容。
[0033]在50mV/s的扫描速率下，循环充放电10000次后的比电容保持率在92%。表现出较高的质量比电容和良好的循环使用寿命。
[0034]用该表面改性碳纤维材料制成电极可避免因使用粘结剂和导电剂导致电极材料能量密度的降低，而且在大电流充放电条件下，该材料具有大的质量比电容和良好的电容保持率，在超级电容器和电吸附除盐等领域具有广泛的应用前景。
【权利要求】
1.一种碳纤维的表面改性方法，其特征在于:先将工业碳纤维毛毡和活泼金属分层置于惰性材质容器中，工业碳纤维毛毡置于上层，活泼金属置于下层，工业碳纤维毛毡:活泼金属=0.05?5g:2?20g ;在惰性气体氩气或氮气保护下，以I?50°C /min的速率升温至890?1700°C并保温I?24h，再冷却至室温；接着，用水清洗，洗液pH值为7时，剩余的活泼金属被洗去，最后于120°C空气气氛中烘干，得到以介孔为主，并且形成交织的多层石墨烯结构的表面改性碳纤维材料； 上述工业碳纤维毛毡为普通市售片状工业碳纤维毛毡，包括浙青基碳纤维毛毡，聚丙烯腈基碳纤维毛毡，或黏胶基碳纤维毛毡； 上述活泼金属包括金属锂、金属钠、金属钾和金属铯； 上述惰性材质容器是具有不会与活泼金属发生化学反应的惰性材质内衬的容器，惰性材料包括氧化铝。
【文档编号】D06M11/83GK103966837SQ201410175448
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年4月29日 优先权日:2014年4月29日
【发明者】徐子颉, 黄慧莹, 郝玉婷, 汪婧雅 申请人:同济大学