一种Fe3O4柔性纳米纤维膜及其制备方法

本发明属于柔性纺织材料领域，具体涉及一种fe3o4柔性纳米纤维膜及其制备方法。

背景技术：

1、随着全球经济的增长，能源和环境问题已成为全球性关注的两大焦点问题。燃料电池是通过电化学反应将储存在燃料(氢气或甲醇等)中的化学能直接转换为电能的发电装置，它不经过热机过程，能量转换效率高，且无污染、噪音小、可连续大功率放电。三维的碳纳米纤维具有强的导电性和比表面积大等优点。碳纳米纤维的特点在电化学反应中，有利于电子传输、活性位点密度大以及化学稳定性高的要求，因此在电化学领域有相当大的应用前景。fe2o3作为过渡金属因其来源丰富，价格低廉、催化性能潜力巨大，已经成为当今的研究热点，并且fe2o3颗粒具有高比容量和无毒害性等特点。目前，纳米纤维材料的制备方法有很多，静电纺丝因其具有制造设备简单、纺丝成本低、可纺原料种类多以及工艺可控等优点，现已成为制备纳米纤维材料的主要途径之一。利用静电纺丝技术已开发出了多种金属氧化物纳米纤维，

2、专利公开号cn 104047071 a公开了一种磁性活性碳纤维的制备方法，先将聚丙烯腈和磁性四氧化三铁颗粒溶于n,n-二甲基甲酰胺中，得到纺丝液；经静电纺丝得到原丝，再将原丝依次经过预处理、预氧化、碳化和活化得到磁性的活性碳纤维。该专利进一步公开了，聚丙烯腈与n,n-二甲基甲酰胺的投料比为1g：10～15ml，所述磁性四氧化三铁颗粒与聚丙烯腈的投料质量比为0.01～15：100。但采用静电纺丝工艺在纳米纤维材料上负载金属氧化物时，由于纤维直径较细，导致金属氧化物的负载量较低，当提高负载量时会造成金属氧化物颗粒分散不均匀、团聚等问题的发生。

技术实现思路

1、针对三维金属掺杂碳基材料制备过程复杂、材料形貌不理想，易团聚、掺杂的金属纳米粒子分散不均匀的技术问题，本发明提出一种fe3o4柔性纳米纤维膜及其制备方法，提高了纳米纤维中fe3o4颗粒的负载量，并且使fe3o4颗粒是均匀分布在碳纤维上。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种fe3o4纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将聚丙烯腈、fe2o3颗粒和溶剂混合配制静电纺丝溶液；

5、(2)将步骤(1)制备的静电纺丝溶液通过静电纺丝工艺进行纺丝，得到纤维膜；

6、(3)将步骤(2)得到的纤维膜进行煅烧碳化，制得fe3o4纳米纤维膜。

7、所述步骤(1)中配制静电纺丝溶液的具体方法为：先将聚丙烯腈溶解在溶剂中配置聚丙烯腈溶液，再加入fe2o3颗粒，随后将聚丙烯腈溶液进行研磨，制得静电纺丝溶液。

8、所述聚丙烯腈溶液的浓度为5-15wt％，聚丙烯腈与fe2o3颗粒的质量比为1：(1-3)。

9、所述步骤(1)中的溶剂为n,n-二甲基甲酰胺。

10、所述fe2o3颗粒为直径为100-300nm的立方体颗粒。

11、所述fe2o3颗粒的制备方法为：将铁原溶解在去离子水中加热混合，并加入naoh，经水热反应制得fe2o3颗粒。

12、所述铁原为氯化铁，铁原与naoh的摩尔比为1:(2-4)，铁原在去离子水中的浓度为(0.5-2)mol/l；所述加热混合的温度为60-90℃；所述水热反应的温度为90-120℃，时间为1-5天。

13、所述静电纺丝工艺的参数为：纺丝电压10-20kv，正负极距离为10-20cm。

14、所述煅烧碳化包括预氧化和碳化，所述预氧化的温度为200-300℃，时间为1-3h；碳化的温度为500-1000℃，时间为1-3h，惰性气体氛围。

15、一种fe3o4纳米纤维膜，所述fe3o4纳米纤维膜中的纤维直径为100-500nm。

16、本发明的有益效果：

17、1、本发明使用了工艺简单的静电纺技术，使用原料易得的聚丙烯腈、fe2o3颗粒和n,n-二甲基甲酰胺制备前驱体溶液，纺丝成纳米纤维膜，随后进行煅烧，即可制备得到fe3o4柔性纳米纤维膜，所制备fe3o4纳米纤维膜的柔韧性好、可导电、活性位点密度大

18、2、本发明使用了化学沉淀法去制备了fe2o3纳米立方体颗粒，该制备方法简便且产率大，生成的fe2o3颗粒高比容量和无毒害性。

19、3、本发明所制得的fe3o4柔性纳米纤维膜的直径为100-500nm，纤维表面上会有许多的微孔结构。在电化学催化方面，微孔结构有利于提高性能，本发明在保证材料可靠性的基础上，保持了较高孔隙结构。

20、4、本发明所制得的fe3o4柔性纳米纤维膜，具有3d网络状结构碳纳米纤维，同时具有较高的fe3o4负载量，更有利于传输电子和电解质离子。

21、5、本发明将fe2o3颗粒加入到聚丙烯腈溶液里面，通过研磨的方式使fe2o3颗粒均匀分散，研磨相较于搅拌、超声等方式起到了更好的效果，为在所制备纤维纤维中均匀分散提供了先决条件。

技术特征：

1.一种fe3o4纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求2所述的fe3o4纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中配制静电纺丝溶液的具体方法为：先将聚丙烯腈溶解在溶剂中配置聚丙烯腈溶液，再加入fe2o3颗粒，随后将聚丙烯腈溶液进行研磨，制得静电纺丝溶液。

3.根据权利要求1所述的fe3o4纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述聚丙烯腈溶液的浓度为5-15wt％，聚丙烯腈与fe2o3颗粒的质量比为1：(1-3)。

4.根据权利要求3所述的fe3o4纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的溶剂为n,n-二甲基甲酰胺。

5.根据权利要求1-4任一项所述的fe3o4纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述fe2o3颗粒为直径为100-300nm的立方体颗粒。

6.根据权利要求5所述的fe3o4纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述fe2o3颗粒的制备方法为：将铁原溶解在去离子水中加热混合，并加入naoh，经水热反应制得fe2o3颗粒。

7.根据权利要求6所述的fe3o4纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述铁原为氯化铁，铁原与naoh的摩尔比为1:(2-4)，铁原在去离子水中的浓度为(0.5-2)mol/l；所述加热混合的温度为60-90℃；所述水热反应的温度为90-120℃，时间为1-5天。

8.根据权利要求5所述的fe3o4纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝工艺的参数为：纺丝电压10-20kv，正负极距离为10-20cm。

9.根据权利要求8所述的fe3o4纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述煅烧碳化包括预氧化和碳化，所述预氧化的温度为200-300℃，时间为1-3h；碳化的温度为500-1000℃，时间为1-3h，惰性气体氛围。

10.根据权利要求1-9任一项所述方法制备的fe3o4纳米纤维膜，其特征在于，所述fe3o4纳米纤维膜中的纤维直径为100-500nm。

技术总结
本发明提出了一种Fe<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;柔性纳米纤维膜及其制备方法，用以解决三维金属掺杂碳基材料制备过程复杂、材料形貌不理想，易团聚、掺杂的金属纳米粒子分散不均匀的技术问题。本发明先采用化学沉淀法制备Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;颗粒，把Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;颗粒、聚丙烯腈和N,N‑二甲基甲酰胺制备成溶液，使用静电纺丝技术制备出Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;纳米纤维膜，经过后处理将得到柔性的Fe<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;纳米纤维膜。本发明的Fe<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;纳米纤维膜具有良好的柔韧性和力学性能，可作为电化学催化剂材料。该制备方法简单，制备得到的Fe<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;纳米纤维膜结构可控，具有优良的柔性，比表面积大，工艺设备简单，易于操作，适于规模化生产。

技术研发人员：刘明凯,谭倚晴,闫岩,刘辉
受保护的技术使用者：江苏师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15