[发明专利]一种用于超级电容器电极的木质素基纳米碳纤维制备方法

说明书

本发明公开了一种用于超级电容器电极的木质素基纳米碳纤维制备方法，在海藻酸钠水溶液中加入纳米级二氧化锰，超声搅拌后加入氧化石墨烯，随后调整溶液pH值至10～11，加入纯化木质素，经减压旋蒸后得到杂化材料；将所得杂化材料加入到离心纺丝机中在200～250℃下进行熔融离心纺丝，得到杂化纤维；将杂化纤维置于高温炉中，以0.01～3℃/min的升温速率升至280～300℃，恒温1～6h；然后升温至1000～2000℃，进行碳化，时间为0.5～12h，得到用于超级电容器电极的纳米碳纤维。本发明的有益效果是制备出的用于超级电容器电极的木质素基纳米碳纤维具有较大的能量密度。

技术领域

本发明属于纳米碳纤维的制备技术领域，涉及一种用于超级电容器电极的木质素基纳米碳纤维制备方法。

背景技术

随着便携式及可穿戴电子设备的快速发展，开发与之相适应的柔性、轻质、高效储能设备变得尤为迫切。超级电容器由于具有高功率密度、长循环寿命和超快的充放电能力而被认为颇有前景的储能设备。构筑柔性超级电容器的核心问题是研究和开发具有高能量密度和功率密度的电极。目前柔性超级电容器的电极多采用一维碳纳米管和二维石墨烯来制备，生产成本高，同时难以规模化生产。相比之下活性碳纤维由于具有价格低廉、比表面积大等优点而颇受关注。而在活性碳纤维的所有前驱体中，木质素由于具有含碳量高、资源可再生、价格低廉等优点而成为制备低成本活性碳纤维的较佳选择。专利CN 106744793 A公布了一种碱木质素基超级电容器用多孔碳材料及其制备方法和应用，通过将碱木质素与三嵌段共聚物和乙酸镁混合后加入甲醛和盐酸，经碳化、酸洗和水洗后得到多孔碳材料。然而所得到的碳材料为块状材料，很难进行编织应用于可穿戴领域。同时所得到的电极材料的能量密度较低。

针对上述问题，本专利在木质素中原位引入海藻酸钠、石墨烯和赝电容二氧化锰，采用熔融离心纺丝的方法得到木质素基杂化纳米纤维，并经预氧化、碳化等过程得到了木质素基多孔纳米碳纤维。本专利所制备的多孔纳米碳纤维可用作超级电容器电极，具有比表面积大、孔洞结构可控、能量密度高等优点，便于规模化生产，在纤维状超级电容器领域具备较大的潜在应用，市场前景广阔。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于超级电容器电极的木质素基纳米碳纤维制备方法，解决了目前的木质素基纳米碳纤维能量密度低的问题。

本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：

步骤1：在海藻酸钠水溶液中加入纳米级二氧化锰，超声搅拌后加入氧化石墨烯，随后调整溶液pH值至10～11，加入纯化木质素，经减压旋蒸后得到杂化材料；将所得杂化材料加入到离心纺丝机中在200～250℃下进行熔融离心纺丝，得到杂化纳米纤维；

步骤2：将步骤1所得杂化纳米纤维置于高温炉中，以0.01～3℃/min的升温速率升至280～300℃，恒温1～6h；然后升温至1000～2000℃，进行碳化，时间为0.5～12h，得到用于超级电容器电极的纳米碳纤维。

进一步，步骤1中的纯化木质素为富含羟基的木质素(羟基含量大于6mmol/g)，其结构单元间的连接方式主要为β-β和β-1。

进一步，步骤1中的海藻酸钠的重均分子量低于8万，添加量为总质量的0.05～10％。

进一步，步骤1中的纳米二氧化锰的添加量为总质量的0.1～20％。

进一步，步骤1中的氧化石墨烯的添加量为总质量的0.1～10％。

进一步，步骤1中离心纺丝机的转盘旋转速度为1000～20000转/分钟。

进一步，步骤2中的多孔纳米碳纤维直径为100～900nm，为连续多级孔结构，孔径为1～80nm。

本发明的有益效果是制备出的用于超级电容器电极的木质素基纳米碳纤维具有较大的能量密度。

具体实施方式