一种三维氮掺杂碳纤维的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种三维氮掺杂碳纤维的制备方法。(1)将1g市售短切碳纤维加入到30 mL市售浓硫酸和10 mL市售浓硝酸的混合溶液中，在60℃下反应1?4小时，得到酸化碳纤维；(2)将1 g酸化碳纤维置于坩埚中，于微波炉中进行微波处理。(3)将200 mg步骤（2）所得物与铵盐混合。(4)将步骤（3）得到的混合物在N2氛围下热处理，得到三维氮掺杂碳纤维。所述铵盐为NH4Cl、(NH4)2SO4和(NH4)3PO3中的一种。本发明操作简单，采用微波膨胀法得到结构稳定的碳纤维，并以无机盐为氮源，在热处理过程中进行掺氮处理，无需后续清洗干燥过程。得到的产物结构稳定性好，氮掺杂量高。
【专利说明】
一种三维氮掺杂碳纤维的制备方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种三维氮掺杂碳纤维的制备方法。
【背景技术】
[0002]碳纤维机械强度高、质轻、电导率高、化学性质稳定，可作为可穿戴电子设备的原料，太阳能电池、超级电容器、电池的电极材料等[ACS Nano,2013,7,5940-5947]。但碳纤维为多层石墨烯薄片堆积，其有效比表面积小，活性位点仅存在于碳纤维束表面，当用作电极材料时，内部材料无法与电解质接触，活性位点少[Adv Mater ,2013,25,5956-5970]。
[0003]Ji等首先对碳纤维进行酸化氧化，继而采用热处理方法使碳纤维表面部分石墨烯片层被剥离，比表面积和活性位点增多，剥离后的碳纤维作为超级电容器电极材料，其电容性能有所提高[ACS Appl Mater Interfaces，2014，6,9496-9502]。碳纤维与石墨结构相似，酸化氧化后的石墨，可用微波进行膨胀剥离，因而微波亦可用于碳纤维的剥离[Nanotechnology,2010,21,405201]。
[0004]为进一步改善碳纤维的性能，可对碳纤维进行杂元素掺杂，如，N，S，P等。Shui等以N掺杂的碳纤维作为锂空气电池的正极，能有效降低充放电过电位，提高放电容量[ACSNano,2014,8,3015- 3022]。舒春英等以三聚氰胺为氮源，有机酸/或有机胺为碳源，热处理得到氮掺杂多孔碳纤维，具有高的比表面积和好的电化学性能[中国发明专利CN103806129A]。本专利结合微波和热处理方法，将碳纤维表面进行剥离，得到表面为石墨烯片层内部的导电纤维的三维结构，并对其进行氮掺杂，制备三维氮掺杂碳纤维。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种结构稳定的三维氮掺杂碳纤维的制备方法。
[0006]具体步骤为:
(I)将Ig市售短切碳纤维加入到30 mL市售浓硫酸和10 mL市售浓硝酸的混合溶液中，在60°C下反应1-4小时，在60°C下反应1-4小时，得到酸化碳纤维。
[0007](2)将I g步骤(I)所得酸化碳纤维置于坩祸中，于微波炉中进行微波处理，功率为600?800 W，处理时间为5?15秒。
[0008](3)将200 mg步骤(2)所得物与铵盐混合，步骤(2)所得物与铵盐的质量比为2:
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[0009](4)将步骤(3)得到的混合物在％氛围下热处理，热处理温度为600?900°C，热处理时间为2?5小时，得到三维氮掺杂碳纤维。
[0010]所述铵盐为NH4CU (NH4)2SO4 和(NH4)3PO3 中的一种。
[0011]本发明操作简单，采用微波膨胀法得到结构稳定的碳纤维，并以无机盐为氮源，在热处理过程中进行掺氮处理，无需后续清洗干燥过程。得到的产物结构稳定性好，氮掺杂量
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【附图说明】
[0012]图1为本发明实施例1酸处理前后的碳纤维显微图像，a:酸处理前，b:酸处理后。
[0013]图2为本发明实施例1三维氮掺杂碳纤维的SEM图。
[0014]图3为本发明实施例1三维氮掺杂碳纤维的XPS图。
【具体实施方式】
[0015]实施例1:
(I)将Ig市售短切碳纤维加入到30 mL市售浓硫酸和10 mL市售浓硝酸的混合溶液中，在60 0C下反应2小时，得到酸化碳纤维。
[0016](2)将I g步骤(I)所得酸化碳纤维置于坩祸中，于微波炉中进行微波处理，功率为600 W，处理时间为8秒。
[0017](3)将200 mg步骤(2)所得物与NH4Cl混合，步骤(2)所得物与NH4Cl的质量比为1:3。
[0018](4)将步骤(3)得到的混合物在N2氛围下热处理，热处理温度为700V，热处理时间为3小时，得到三维氮掺杂碳纤维。
[0019]实施例2:
(I)将Ig市售短切碳纤维加入到30 mL市售浓硫酸和10 mL市售浓硝酸的混合溶液中，在60 0C下反应3小时，得到酸化碳纤维。
[0020](2)将I g步骤(I)所得酸化碳纤维置于坩祸中，于微波炉中进行微波处理，功率为700 W，处理时间为6秒。
[0021](3)将200 mg步骤(2)所得物与(NH4)2S04混合，步骤(2)所得物与(NH4)2S04的质量比为2:3。
[0022](4)将步骤(3)得到的混合物在N2氛围下热处理，热处理温度为800V，热处理时间为2小时，得到三维氮掺杂碳纤维。
[0023]实施例3:
(I)将Ig市售短切碳纤维加入到30 mL市售浓硫酸和10 mL市售浓硝酸的混合溶液中，在60°C下反应4小时，得到酸化碳纤维。
[0024](2)将I g步骤(I)所得酸化碳纤维置于坩祸中，于微波炉中进行微波处理，功率为800 W，处理时间为12秒。
[0025](3)将200 mg步骤(2)所得物与(NH4)2S04混合，步骤(2)所得物与(NH4)2S04的质量比为1:1。
[0026](4)将步骤(3)得到的混合物在N2氛围下热处理，热处理温度为900°C，热处理时间为3小时，得到三维氮掺杂碳纤维。
[0027]实施例4:
(I)将Ig市售短切碳纤维加入到30 mL市售浓硫酸和10 mL市售浓硝酸的混合溶液中，在60 0C下反应2小时，得到酸化碳纤维。
[0028](2)将I g步骤(I)所得酸化碳纤维置于坩祸中，于微波炉中进行微波处理，功率为700 W，处理时间为7秒。
[0029](3)将200 mg步骤(2)所得物与(NH4)3PO3混合，步骤(2)所得物与(NH4)3PO3的质量比为1:2。
[0030](4)将步骤(3)得到的混合物在N2氛围下热处理，热处理温度为600°C，热处理时间为5小时，得到三维氮掺杂碳纤维。
[0031]实施例5:
(I)将Ig市售短切碳纤维加入到30 mL市售浓硫酸和10 mL市售浓硝酸的混合溶液中，在60 0C下反应3小时，得到酸化碳纤维。
[0032](2)将I g步骤(I)所得酸化碳纤维置于坩祸中，于微波炉中进行微波处理，功率为800 W，处理时间为9秒。
[0033](3)将200 mg步骤(2)所得物与(NH4)2S04混合，步骤(2)所得物与(NH4)2S04的质量比为2:1。
[0034](4)将步骤(3)得到的混合物在N2氛围下热处理，热处理温度为900°C，热处理时间为3小时，得到三维氮掺杂碳纤维。
【主权项】
1.一种三维氮掺杂碳纤维的制备方法，其特征在于具体步骤为: (1)将Ig市售短切碳纤维加入到30mL市售浓硫酸和10 mL市售浓硝酸的混合溶液中，在60°C下反应1-4小时，得到酸化碳纤维； (2)将Ig步骤(I)所得酸化碳纤维置于坩祸中，于微波炉中进行微波处理，功率为600?800 W，处理时间为5?15秒；(3)将200mg步骤(2)所得物与铵盐混合，步骤(2)所得物与铵盐的质量比为2:0.5?6； (4)将步骤(3)得到的混合物在犯氛围下热处理，热处理温度为600?900°C，热处理时间为2?5小时，得到三维氮掺杂碳纤维； 所述铵盐为NH4Cl、(NH4)2S04和(NH4)3PO3中的一种。
【文档编号】D06M10/06GK105951216SQ201610328802
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】罗志虹, 罗鲲, 朱旻
【申请人】桂林理工大学