[发明专利]高比表面多孔碳纤维及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纤维及其制备方法与应用，具体地涉及一种高比表面多孔碳纤维及其制备方法与应用。

背景技术

碳纤维由于其独特的结构以及特性被广泛地用做大分子吸收材料、超级电容器、电池、催化剂载体、气体或液体的过滤以及场发射显示材料等。静电纺丝法是制备碳纤维的一种非常简便而且高效的方法，并且由于成本低廉受到了大家的广泛关注。但是普通的静电纺丝法制备的碳纤维是无孔结构的碳纤维，比表面积都较低，这大大限制了碳纤维的应用。针对这个缺点，近年来高比表面多孔碳纤维及其制备引起了人们广泛的研究兴趣，成为研究开发的热点。

目前文献中报道的高比表面多孔碳纤维及其制备方法中仍然存在以下问题：所述方法中的造孔过程繁琐复杂、成本高，难实现工业化生产；上述问题极大限制了制备的多孔碳纤维在作为催化剂载体、超级电容器以及锂离子电池等方面的应用。因此，发展一种性能更优越的适用于作为催化剂载体、超级电容器以及锂离子电池等方面的多孔碳纤维及其简单、成本低廉的制备方法具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种性能优越的适用于作为催化剂载体、超级电容器、锂离子电池及过滤膜等方面的高比表面多孔碳纤维。

本发明的另一个目的在于提供一种上述高比表面多孔碳纤维的简单高效、成本低廉的制备方法。

本发明的再一个目的在于提供一种上述高比表面多孔碳纤维在作为催化剂载体、超级电容器、锂离子电池及过滤膜等方面的应用。

本发明采用如下的技术方案：

一种高比表面多孔碳纤维，其比表面积大于100m²/g，同时具有微孔和介孔结构，所述碳纤维的直径在100nm-10μm之间。

根据本发明，优选地，其比表面积大于300m²/g；更优选地，其比表面积大于600m²/g，还更优选地，其比表面积大于800m²/g。

根据本发明，所述碳纤维的直径优选在100nm-1μm之间。

根据本发明，所述高比表面多孔碳纤维由包括如下步骤的方法制备得到：将包括造孔剂、高分子和有机溶剂的纺丝液进行纺丝后碳化，经过酸洗干燥后得到所述高比表面多孔碳纤维；其中，所述造孔剂选自硫化钾。

根据本发明，所述高分子选自聚丙烯腈、聚酰亚胺、沥青、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮和酚醛树脂中的至少一种。

根据本发明，所述聚丙烯腈的数均分子量为50w-300w，优选为150w。

根据本发明，所述聚酰亚胺的数均分子量为50w-300w，优选为150w。

根据本发明，所述沥青和聚乙烯醇的数均分子量均为50w-300w，优选为150w。

根据本发明，所述聚乙烯吡咯烷酮的数均分子量为50w-300w，优选为150w。

根据本发明，所述酚醛树脂的数均分子量为50w-300w，优选为150w。

本发明还公开如下的技术方案：

一种制备高比表面多孔碳纤维的方法，包括如下步骤：将包括造孔剂、高分子和有机溶剂的纺丝液进行纺丝后碳化，经过酸洗干燥后得到所述高比表面多孔碳纤维；其中，所述造孔剂选自硫化钾。

与现有的制备多孔碳纤维的方法不同，本发明在方法中采用硫化钾作为造孔剂，而非现有的碱活化法、蒸汽活化法以及热分解性共聚物造孔法等，制备过程简单高效且成本低廉，制备的多孔碳纤维具有高比表面和丰富的微孔和介孔结构。

根据本发明，所述高比表面多孔碳纤维的比表面积大于100m²/g，同时具有微孔和介孔结构，所述碳纤维的直径在100nm-10μm之间。

根据本发明，优选地，其比表面积大于300m²/g；更优选地，其比表面积大于600m²/g，还更优选地，其比表面积大于800m²/g。

根据本发明，所述碳纤维的直径优选在100nm-1μm之间。

根据本发明，上述方法中的所述高分子选自聚丙烯腈、聚酰亚胺、沥青、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮和酚醛树脂中的至少一种。

根据本发明，所述聚丙烯腈的数均分子量为50w-300w，优选为150w。

根据本发明，所述聚酰亚胺的数均分子量为50w-300w，优选为150w。

根据本发明，所述沥青和聚乙烯醇的数均分子量均为50w-300w，优选为150w。