本發(fā)明屬于電極材料及其制備和應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種雜原子摻雜柔性織物基碳電極材料及其制備和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人口的增長(zhǎng)，對(duì)于能源的消耗量日益增多，傳統(tǒng)的煤、石油等不可再生的能量資源日益枯竭，同時(shí)這些能源在利用過(guò)程中又會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染等問(wèn)題，這使得環(huán)境問(wèn)題和能源問(wèn)題日益突出。因此尋求可再生的清潔能源對(duì)于減少環(huán)境污染，促進(jìn)人類的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

超級(jí)電容器由于具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好等性能，作為一種新型的電能存儲(chǔ)器件受到社會(huì)的廣泛關(guān)注。碳材料因具有較高的比表面積而被廣泛的作為一種雙電層電極材料，但是其電化學(xué)性能較差。

對(duì)碳材料進(jìn)行雜原子的摻雜可以改善碳材料的親疏水性，增強(qiáng)電極材料的浸潤(rùn)性，并且有利于增強(qiáng)電解液離子在材料微孔中的快速運(yùn)輸，從而提高碳電極材料電化學(xué)性能。例如lu等人，以三聚氰胺為碳源，在預(yù)氧化前用氨氣處理，制備了氮含量豐富的多孔碳材料(advfunctmater,2009,19(11):1800)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種雜原子摻雜柔性織物基碳電極材料及其制備和應(yīng)用，是一種新型雜原子摻雜三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的柔性自支撐碳電極材料。本發(fā)明以傳統(tǒng)的紡織品為碳電極材料的源材，原料來(lái)源廣，且成本低廉；同時(shí)將其與傳統(tǒng)染色工藝相結(jié)合，通過(guò)染料在纖維內(nèi)部均勻地分散和鍵合作用，不經(jīng)過(guò)任何活化過(guò)程，簡(jiǎn)便得到雜原子摻雜的柔性織物基碳電極材料，且所制得的織物具有良好導(dǎo)電性、柔韌性和優(yōu)異的電化學(xué)性能，應(yīng)用前景廣闊。

本發(fā)明的一種雜原子摻雜柔性織物基碳電極材料，所述電極材料為三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的柔性自支撐碳電極材料。

本發(fā)明的一種雜原子摻雜柔性織物基碳電極材料的制備方法，包括：

(1)將織物浸漬在堿溶液中，振蕩，進(jìn)行預(yù)處理，去除表面的雜質(zhì)，洗滌，然后在烘干至恒重，得到處理后的織物，備用；

(2)將處理后的織物浸漬在染液中進(jìn)行染色，皂洗(皂片2g/l，純堿2g/l，95℃，10min，浴比1:30)，晾干，然后碳化，冷卻至室溫，即得雜原子摻雜柔性織物基碳電極材料。

所述步驟(1)中振蕩為80-95℃下恒溫振蕩1-2h。

所述步驟(1)中洗滌為用去離子水洗滌至中性。

所述步驟(1)中織物為純棉織物、麻織物、蠶絲織物、羊毛織物、再生纖維素織物、纖維混紡織物中的一種。

所述步驟(2)中染料為活性染料、直接染料、還原染料、偶氮染料、硫化染料中的一種或幾種。

步驟(2)中染色為在振蕩染色機(jī)中進(jìn)行染色。

所述步驟(2)中織物：染料用量為1％-10％(o.w.f.)。

所述步驟(2)中碳化，冷卻至室溫具體為：從25℃開(kāi)始以2℃/min的速率升溫至800℃，然后恒溫1小時(shí)，期間始終通入氮?dú)?，然后?℃/min的速率降至25℃。

所述步驟(2)中碳化在管式爐中進(jìn)行。

本發(fā)明的一種雜原子摻雜柔性織物基碳電極材料的應(yīng)用，在便攜式電子產(chǎn)品及智能紡織品中的應(yīng)用。

本發(fā)明利用傳統(tǒng)染色的方法將所制得的織物直接碳化制得了雜原子摻雜的柔性織物基碳電極材料。該方法簡(jiǎn)單易行，對(duì)原料的要求低，成本低；且所制得的織物具有輕柔、導(dǎo)電、超親水等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

本發(fā)明以傳統(tǒng)纖維織物為原料，通過(guò)傳統(tǒng)染色工藝然后高溫碳化制備雜原子(氧、氮、硫等)摻雜的柔性織物基電極的方法。

有益效果

(1)本發(fā)明制備的超級(jí)電容器的電極材料在中性電解質(zhì)中具有良好的比電容和充放電性能，在10％(o.w.f.)的染液中染色時(shí)(是10％)，所制得的雜原子摻雜柔性電極材料，在1mol/l的na2so4溶液中，掃速為2mv/s時(shí)，比電容達(dá)到240f/g；

(2)本發(fā)明制備的電極材料具有織物三維連通的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可單獨(dú)用作柔性自支撐電極材料；

(3)本發(fā)明的制備方法簡(jiǎn)單易行，成本低廉，使用的織物可為廢棄織物，不僅減少了環(huán)境污染，而且還避免了能源的浪費(fèi)。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1的10％(o.w.f.)的純棉染色織物碳化電極的電化學(xué)性能(a)不同掃描速率下的循環(huán)伏安曲線；(b)不同電流密度下的恒電流充放電曲線；(c)交流阻抗圖譜；

圖2為實(shí)施例1的10％(o.w.f.)的純棉染色織物碳化電極eds圖譜；(a)c元素含量分布；(b)o元素含量分布；(c)n元素含量分布；(d)元素總譜圖；標(biāo)尺大小為4μm；

圖3為實(shí)施例1的10％(o.w.f.)純棉染色織物碳化電極的吸附等溫線(a)及及孔徑分布圖(b)；

圖4為實(shí)施例1的10％(o.w.f.)純棉染色織物碳化電極的xrd。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

實(shí)施例1

本實(shí)施例采用活性染料上染純棉織物，再通過(guò)碳化工藝制備碳化純棉織物電極。

(1)將1g純棉織物放在濃度為15g/l的氫氧化鈉溶液中，95℃下恒溫振蕩1h，用去離子水清洗至中性，60℃下烘干至恒重。

(2)將步驟(1)中的織物加入到10％(o.w.f.)的染液中(是指染料相對(duì)于織物的重量即為o.w.f.)，浴比為1:50，60℃染15min后加入食鹽，再60℃續(xù)染15min，然后以2℃/min的速率升溫至90℃后加入純堿，在90℃固色30min，染色完畢后降溫冷卻，取出試樣，用冷水洗、皂洗(皂片2g/l，純堿2g/l，95℃，10min，浴比1:30)、水洗、烘干。

(3)將步驟(2)中的織物用去離子水清洗干凈，然后晾干。

(4)經(jīng)過(guò)處理的織物放于石英瓷舟中，放在管式爐石英管的中心位置，全程通入高純氮?dú)猓缓蟀丛O(shè)定溫度進(jìn)行高溫碳化。設(shè)置程序?yàn)椋荷郎厮俾?℃/min，碳化溫度800-900℃，保溫時(shí)間60min，然后以5℃/min的速率降至25℃。

本實(shí)施例碳電極材料檢測(cè)結(jié)果請(qǐng)見(jiàn)附圖：

圖1為實(shí)施例1純棉染色織物碳化電極的電化學(xué)性能。測(cè)試中采用三電極檢測(cè)方法，鉑片電極和銀/氯化銀電極分別為對(duì)電極和參比電極，電解液為1mol/lna2so4溶液。由圖1(a)可以算出工作電極在不同掃速下的比電容，如表(1)所示：

圖2為實(shí)施例1純棉染色織物碳化電極eds圖譜。圖中(a)、(b)、(c)分別表示c、o、n元素的含量分布，(d)為元素分布的總譜圖，從圖中可以看出在纖維的表面均勻的分布著c、o、n元素，說(shuō)明通過(guò)染色的方法可以獲得均一的元素?fù)诫s。這些雜元素的摻雜，在織物基碳電極材料中引入了贗電容性能，從而提高了碳化織物的電化學(xué)性能。

圖3為實(shí)施例1純棉染色織物碳化電極的吸附等溫線及孔徑分布圖。由圖可知，制備的碳電極材料具有微孔、介孔尺度，研究表明，碳極材料具有分級(jí)微孔、介孔尺寸有利于電解質(zhì)的有效傳遞。此外，材料的多孔性有利于提供其柔韌性能。

圖4為實(shí)施例1純棉染色織物碳化電極的xrd譜圖。由圖可知，衍射角2θ在22^o和42^o處分別出現(xiàn)了兩個(gè)衍射峰，分別代表碳的002晶面和101晶面，表明所制備的碳電極材料具有較好的石墨化程度。

此外，實(shí)施例1純棉染色織物碳化電極的導(dǎo)電性良好，電阻為33.42ω/sq，該材料優(yōu)良的導(dǎo)電性大大提高其電化學(xué)性能。

實(shí)施例2

本實(shí)例采用酸性染料上染蠶絲織物，再通過(guò)碳化工藝制備碳化絲織物電極。

(1)將1g蠶絲織物加入到弱酸紅2％(o.w.f.)，硫酸銨10％(o.w.f.)，硫酸鈉10％(o.w.f.)的染液中，浴比為1:100，根據(jù)浴比補(bǔ)足所需水量，染浴配置完畢后，將已經(jīng)在水中浸潤(rùn)的蠶絲織物擠干后投入到染浴中開(kāi)始染色，在不斷攪拌情況下，60℃下入染，然后以2℃/min的速度逐漸升溫至90℃，保溫染色60min，染色完畢后取出試樣，用冷水洗、水洗、烘干。

(3)將步驟(2)中的織物用去離子水清洗干凈，然后晾干。

(4)經(jīng)過(guò)處理的織物放于石英瓷舟中，放在管式爐石英管的中心位置，全程通入高純氮?dú)?，然后按設(shè)定溫度進(jìn)行高溫碳化。設(shè)置程序?yàn)椋荷郎厮俾?℃/min，碳化溫度800-900℃，保溫時(shí)間60min，然后以5℃/min的速率降至25℃。