[发明专利]一种纳米或纳米多孔碳纤维束及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米或纳米多孔碳纤维束的制备方法，由该方法制备的纳米或纳米多孔碳纤维束，以及该纳米或纳米多孔碳纤维束在储能器件中的应用。

背景技术

近年来对柔性/可穿戴的储能器件（1.Koroneos,C.,Spachos,T.&Moussiopoulos,N.Exergy analysis of renewable energy sources.Renewable Energy28,295-310,(2003)；2.Shim,B.S.,Chen,W.,Doty,C.,Xu,C.&Kotov,N.A.Smart Electronic Yarns and Wearable Fabrics for Human Biomonitoring made by Carbon Nanotube Coating with Polyelectrolytes.Nano Letters8,4151-4157,(2008)；3.Park,S.&Jayaraman,S.Smart Textiles:Wearable Electronic Systems.MRS Bulletin28,585-591,(2003)）以及可编织的线型柔性储能器件（4.Wang,K.,Meng,Q.,Zhang,Y.,Z.W.&Miao*,M.High-Performance Two-Ply Yarn Supercapacitors Based on Carbon Nanotubes and Polyaniline Nanowire Arrays.Advanced Materials,(2013)；5.Lee,J.A.et al.Ultrafast charge and discharge biscrolled yarn supercapacitors for textiles and microdevices.Nat Commun4,(2013)；6.Dalton,A.B.et al.Super-tough carbon-nanotube fibres.Nature423,703-703,(2003).）的研究受到了广泛关注。因此，制备线型、柔性、可弯折的储能器件如超级电容器的电极材料成为重中之重。

碳纤维是有机纤维或低分子烃气体原料经炭化处理后形成的纤维状碳材料，碳含量在90%以上，具有高强度、低密度、耐化学腐蚀、低电阻等优良特性，在储能器件、宇航工业、航空工业等领域有广泛的应用。而由碳纤维组成的碳纤维束因具有良好的柔性及优异的电化学性能，可被用作线型柔性超级电容器的电极材料。

通常用来制备碳纤维束的方法有化学气相沉积法以及静电纺丝法。

化学气相沉积法虽然能够生产碳纳米管阵列并从中拉丝以形成连续的碳纤维束（7.Jiang,K.,Li,Q.&Fan,S.Nanotechnology:Spinning continuous carbon nanotube yarns.Nature419,801-801,(2002).），但是得到的碳纤维束往往含有金属催化剂，难以完全去除；而且只有所谓的“超顺排”碳纳米管阵列才可以拉出质量优良的碳纤维束；以及拉丝纤维的直径不能够轻易控制；还有，该工艺设备复杂、成本高，条件苛刻，难以大规模制备连续纯净的碳纤维束。

目前，静电纺丝制备的纤维束均为高分子纤维束（8.Smit,E.,U.&Sanderson,R.D.Continuous yarns from electrospun fibers.Polymer46,2419-2423,(2005);9.Teo,W.-E.,Gopal,R.,Ramaseshan,R.,Fujihara,K.&Ramakrishna,S.A dynamic liquid support system for continuous electrospun yarn fabrication.Polymer48,3400-3405,(2007).），尚未有静电纺丝高分子纤维束经连续纺丝再炭化形成纳米碳纤维束或纳米多孔碳纤维束的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米或纳米多孔碳纤维束的制备方法，该方法将静电纺丝、连续拉丝以及加热炭化结合在一起，不仅可以得到连续的纳米或纳米多孔碳纤维束，而且该方法制备得到的纳米或纳米多孔碳纤维束的直径、长度和微观结构可控，以及由该方法制备得到的纳米或纳米多孔碳纤维束在应用于储能器件领域中尤其是作为超级电容器的电极材料，展现了良好的电化学性能。