一種利用靜電紡絲法制備碳-氧化鋅納米纖維的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電化學(xué)領(lǐng)域;具體涉及一種利用靜電紡絲法制備碳-氧化鋅納米纖維的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]納米氧化鋅作為光催化劑具有無毒無害、結(jié)構(gòu)及性能穩(wěn)定等特點。納米氧化鋅粒徑為1-?100納米之間。由于粒徑小，比表面積大，表面的鍵態(tài)與顆粒內(nèi)部的不同、表面原子配位不全等導(dǎo)致表面的活性位置增多，形成了凸凹不平的原子臺階，加大了反應(yīng)接觸面從而使得納米氧化鋅具有表面效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)等，因而使得納米氧化鋅在電、光、磁、敏感性等方面具有特殊性能和用途。
[0003]木質(zhì)素是植物纖維原料主要成分之一，在自然界中蘊藏量僅次于纖維素。目前人類對木質(zhì)素的利用還很不充分。由于木質(zhì)素中含碳量較高(一般在55%?66%之間)而且含有芳香基、甲氧基、羧基、共軛雙鍵等集團，可進行各種化學(xué)反應(yīng)，提高反應(yīng)活性。因此可作為碳纖維原料進行利用。同時，木質(zhì)素作為表面活性劑，對氧化鋅的結(jié)晶成型有影響。有報道指出在未添加木質(zhì)素時，氧化鋅形貌為針狀，添加后的形貌為球狀，這是由于納米氧化鋅晶體生長過程中，木質(zhì)素中的特定基團會影響各個晶面生長速度而導(dǎo)致氧化鋅優(yōu)勢生長晶面發(fā)生了改變，進而導(dǎo)致其形貌的變化。反應(yīng)體系中，木質(zhì)素的存在對樣品的比表面積和孔徑大小也有較大影響，木質(zhì)素的添加會增大孔徑和孔隙率從而增大比表面積。
[0004]靜電紡絲技術(shù)發(fā)明于20世紀30年代。這種技術(shù)是使紡絲口至收集網(wǎng)之間產(chǎn)生高靜電場，使紡絲液在收集網(wǎng)上形成無規(guī)則排列的帶電荷的高分子納米纖維。靜電紡絲可將纖維直徑控制在微米甚至納米級，并且投資成本小。該方法制備的純凈、連續(xù)，工藝簡單，不需要昂貴CNFs的提純費用，有望實現(xiàn)大批量的生產(chǎn)，具有很高的應(yīng)用價值?，F(xiàn)有方法制備的碳-氧化鋅纖維多為氧化鋅后生長在碳纖維表面上，所得氧化鋅結(jié)晶性不好，程序較復(fù)雜，后生長于碳纖維表面的氧化鋅會導(dǎo)致碳與氧化鋅復(fù)合不充分，造成氧化鋅脫落，對性能造成一定影響。熔融紡絲法需要較高溫度，條件苛刻，成絲直徑較大且不均勻，比表面積小，也會對其性能有不良的影響。
[0005]目前應(yīng)用于超級電容器的電極材料主要有是三種，分別是:碳基材料、金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物、碳基材料其能量儲存的機理主要是依靠碳表面形成的雙電層，因此比電容較低，目前用于雙層電容器的電信碳材料有:活性炭、碳納米管、碳氣凝膠等。碳纖維是一種新型高效的多功能材料，有較大的比表面積，良好的孔結(jié)構(gòu)，良好的化學(xué)穩(wěn)定性，纖維直徑可達納米級。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]以木質(zhì)素為碳源的碳材料可降低碳材料的生產(chǎn)成本，但木質(zhì)素本身不易成絲。而且現(xiàn)有的制備碳納米纖維的技術(shù)往往采用的帶有毒性的有機溶劑，溶劑不易揮發(fā)。
[0007]本發(fā)明要解決木質(zhì)素紡絲不易成型的技術(shù)問題;而提供了一種利用靜電紡絲法制備碳-氧化鋅納米纖維的方法。
[0008]本發(fā)明中利用靜電紡絲法制備碳-氧化鋅納米纖維的方法是按下述步驟進行的:
[0009]步驟一、將高分子聚合物溶解于溶劑A中，得到溶液A，
[0010]將木質(zhì)素溶解于蒸餾水中超聲震蕩3?15min，離心，過濾除雜后加入鋅源，充分溶解后混合均勻，得到溶液B，
[0011 ] 將溶液A和溶液B混合得到紡絲原液；
[0012]步驟二、將步驟一配置的紡絲原液(以500轉(zhuǎn)每分鐘的速度)攪拌2?3小時，使溶液混合均勻后置于高壓靜電紡絲裝置中紡絲，紡絲條件:電壓為5?100kV，收集距離為10?20cm，紡絲原液流速為5?100yL/min，環(huán)境溫度為10?50°C，環(huán)境濕度為10%?90%，針頭直徑為0.6?Imm;
[0013]步驟三、然后在惰性氣體氣氛保護下，將步驟二獲得的紡絲樣品以I?20°C/min升溫速率升溫至200?300°C保持0.5?1.5h(除去雜質(zhì))，繼續(xù)升溫至500?1000°C保持溫度I?6h(碳化的同時氧化鋅生長成型)，即得到碳-氧化鋅納米纖維。
[0014]其中，步驟一中溶劑A為醇或蒸餾水。步驟一所述的高分子聚合物為聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇或聚丙烯腈。步驟一所述的鋅源為乙酸鋅或硝酸鋅。步驟一所述的木質(zhì)素為木質(zhì)素磺酸鈉或堿木質(zhì)素。步驟一所述紡絲原液中高分子聚合物、木質(zhì)素與鋅源的質(zhì)量比為(2?10): (0.1?5): (0.1?5)。步驟一所述溶劑A中的醇為乙醇、異丙醇或丁醇。步驟一配置的紡絲原液中溶液B中的蒸餾水與溶液A中的溶劑A的體積比為1: (I?5)。步驟三所述惰性氣體為氮氣、氬氣或氦氣。
[0015]本發(fā)明利用廉價且易得的木質(zhì)素磺酸鈉作為陰離子表面活性劑和碳源，高分子聚合物為主要碳源，將上述化合物配置成溶液混合均勻加入鋅源，利用靜電紡絲法成型碳纖維然后使氧化鋅均勻生長在碳纖維上提高氧化鋅的使用效率。本發(fā)明加入了木質(zhì)素使氧化鋅結(jié)晶性提高。本發(fā)明中氧化鋅生長于碳纖維碳化同時進行，氧化鋅不只生長在表面上，在碳纖維上均勻分布。
[0016]本發(fā)明利用乙醇和水作為溶劑，減少了對人體的危害。
[0017]本發(fā)明的方法具有簡單、連續(xù)、比表面積大的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0018]圖1是【具體實施方式】一所制備的碳-氧化鋅納米纖維材料的XRD圖；圖2是【具體實施方式】二步驟二制備的紡絲樣品的SEM圖(放大35000倍)；圖3是【具體實施方式】二所制備的碳_氧化鋅納米纖維的SEM圖(放大20000倍)；圖4是【具體實施方式】三所制備的碳-氧化鋅納米纖維的SEM圖(放大2000倍)；圖5是循環(huán)伏安曲線圖。
【具體實施方式】
[0019]【具體實施方式】一:本實施方式中利用靜電紡絲法制備碳-氧化鋅納米纖維的方法是按下述步驟進行的:
[0020]步驟一、將Sg聚乙烯吡咯烷酮溶解于15ml乙醇中(攪拌至完全溶解配置澄清溶液)，得到溶液A，
[0021]將0.5g木質(zhì)素磺酸鈉溶解于5ml蒸餾水中超聲震蕩5min，離心，過濾除雜后加入0.5g乙酸鋅，充分溶解后混合均勻，得到溶液B，
[0022]將溶液A和溶液B混合得到紡絲原液；
[0023]步驟二、將步驟一配置的紡絲原液以(以500轉(zhuǎn)每分鐘的速度)攪拌I小時，使溶液混合均勻后轉(zhuǎn)移到微量注射栗中以20yL/min的速率連續(xù)注射入高壓靜電紡絲裝置的進料針管內(nèi)，并在15kV的電壓下進行紡絲，紡絲的環(huán)境溫度為室溫(25°C)，環(huán)境濕度為40%，針頭與鋁箔間的距離為15cm。紡絲針頭直徑為0.8mm，紡絲針頭為正極，收集滾筒鋁箔為負極；
[0024]步驟三、然后在氮氣氣氛保護下，將步驟二獲得的紡絲樣品以5°C/min升溫速率升溫至250°C保持60min(除去雜質(zhì))，繼續(xù)升溫至550°C保持溫度2h(碳化的同時氧化鋅生長成型)，即得到碳-氧化鋅納米纖維。
[0025]本實施方式制備的碳-氧化鋅納米纖維材料如圖1所示;通過對比碳和氧化鋅的標準TOF卡片可以看出，圖1中26°左右有明顯的碳峰，氧化鋅001 ;002; 101與標準卡片的峰完全符合，說明氧化鋅晶體碳材料上生長結(jié)晶成六方晶形氧化鋅。
[0026]本實施方式制備步驟二制備的紡絲樣品的SEM圖如圖2所示，由圖2可知，靜電紡絲后所成型的纖維直徑在Ιμπι，纖維表面均勻，無聚集和球狀，纖維分布均勻。
[0027]本實施方式制備的碳-氧化鋅納米纖維的SEM圖如圖3所示，由圖3可知紡絲纖維碳化后氧化鋅納米棒在圖中可以發(fā)現(xiàn)生長在碳材料上，無規(guī)碳表面粗糙，有孔結(jié)構(gòu)。
[0028]【具體實施方式】二:本實施方式中利用靜電紡絲法制備碳-氧化鋅納米纖維的方法是按下述步驟進行的:
[0029]步驟一、將1g聚乙烯吡咯烷酮溶解于15ml乙醇中(攪拌至完全溶解配置澄清溶液)，得到溶液A，