[发明专利]松针状碳纳米管/碳纤维导电网络复合碳材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管/碳纤维复合碳材料的制备方法，具体是一种在碳纤维织物重叠交错的碳纤维基底上，利用化学气相沉积法制备出高密度排列的松针状碳纳米管/碳纤维导电网络复合碳材料。

背景技术

碳纳米管是“纳米世界”中的重要一员，近年来一直处于国际科学的前沿领域。碳纳米管可以看做是由石墨烯片层卷曲而成，按照石墨烯片的层数可分为：单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。一般来讲，单壁碳纳米管由于其表面结构较完整而具有较高的化学惰性，随着管壁层数的增加，在其表面上产生较多的缺陷，使得物理化学活性增强。多壁碳纳米管具有比表面积大、机械强度高、表面活性相对较活泼等特性被众多科研工作者关注和研究。

鉴于多壁碳纳米管具有独特的结构和优异的导电特性，在纳米电子器材、载体材料及储氢材料等方面均具有潜在的应用价值，因此研究者们对多壁碳纳米管的制备进行了大量的研究工作，主要有电弧放电法、激光蒸发法、化学气相沉积法等。自从1991年，多壁碳纳米管首次在电弧放电法[Curl R.F. and Smalley R.E. Fullerenes [J]. Scientific American, 1991, (10) : 54-63.]生产富勒烯的阴极沉淀物中发现以来, 关于碳纳米管的制备在不断地探索和完善中取得了重大进展。近年来，采用化学气相沉积法大规模制备多壁碳纳米管发展成为一种较为成熟的方法，其原理是通过含碳气体或者液体有机物在催化剂作用下裂解、沉积从而生长碳纳米管。制备出的碳纳米管的管径和管长可有效控制，管壁较干净且表面活性较高。在2001年Li等[Li Wenzhi, et al. Chemical Physics Letter, 2001, 335(3-4):141–149.]利用化学气相沉淀法在纯的石墨颗粒表面上直接生长碳纳米管，制备出了碳纳米管/石墨复合体材料。该材料因综合利用了导电基底的优势，从而在一定程度上提高了其在电化学器材中的应用。但是，这种碳纳米管/石墨复合材料大多为堆积形成的无序排列的粉体状碳纳米管，它们不具有三维多孔结构，导电框架不完整，在实际应用中有所受限。随后，Li等[Li Y, Huang Z, Huang K, et al. Hybrid Li-air battery cathodes with sparse carbon nanotube arrays directly grown on carbon fiber papers [J]. Energy & Environmental Science, 2013, 6(11): 3339-3345.]在碳纸的碳纤维上使用电沉积法负载无机金属催化剂，利用化学气相沉积法在碳纤维的一侧成功制备了稀疏的阵列型碳纳米管。虽然在碳纤维上生长的碳纳米管具有一定的阵列型结构，但是引文中首先是催化剂负载工艺方法较为复杂，控制条件苛刻不易进行。其次，该方法只在碳纤维的一侧生长稀疏的碳纳米管阵列，而碳纤维的另一侧基本没有生长出碳纳米管，从而导致了碳纳米管生长量较少。因此，提高碳纤维基底表面的利用率，生长高密度排列的碳纳米管，从而进一步提高导电框架的完整性成为必须解决的实际问题。

发明内容

本发明的目的在于利用化学气相沉积法在碳纤维织物的碳纤维上制备出高密度排列的松针状碳纳米管/碳纤维导电网络复合碳材料，并提供一种松针状碳纳米管/碳纤维导电网络复合碳材料的制备方法。

本发明所采取的技术方案如下：

一种松针状碳纳米管/碳纤维导电网络复合碳材料的制备方法，所述制备方法是以碳纤维织物的纤维为生长基底，在所述生长基底上生长高密度排列的碳纳米管；其中，所述纤维直径是3-10μm，所述碳纳米管的长度是5-150μm，所述碳纳米管的直径是20-220nm，所述碳纳米管的排列密度是1×10²¹-220×10²¹根/m²。

上述技术方案的具体制备方法是按下列步骤进行的：

（1）碳纤维织物的纤维表面预处理

将碳纤维织物置于异丙醇或者乙醇溶液中超声清洗10-60min，并在60-100℃温度下烘干20-60min；后将清洗后的纤维织物置于管式炉内，控制温度在500-700℃间，在氩气氛围下煅烧1-12h，对纤维表面进行高温脱粘处理；