一種細(xì)菌纖維素/活性碳纖維/碳納米管膜材料的制備方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種膜材料的制備方法及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的能源來源日益消耗殆盡，刺激人們?nèi)ふ铱商娲哪茉春陀行У哪芰抠A存裝置，而超級電容器具有高功率密度和較高的能量密度，應(yīng)用于混合電動車、電動車、便攜式電子設(shè)備等重要的領(lǐng)域，一直備受人們青睞。
[0003]當(dāng)今社會對柔性、可彎曲設(shè)備儲能需求的快速增長，人們急需研發(fā)下一代價廉、柔軟、可彎曲的超級電容器，而電極材料是最重要的組成部分。但現(xiàn)有柔性電極材料制備工藝復(fù)雜、成本高，不具備良好的穩(wěn)定性及力學(xué)性能。因此，釆用一個簡單、有效、環(huán)保、適用于規(guī)?；a(chǎn)的制備方法制備高性能的柔性電極材料尤其重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有柔性電極材料制備工藝復(fù)雜、成本高，不具備良好的穩(wěn)定性及力學(xué)性能的問題，提供一種細(xì)菌纖維素/活性碳纖維/碳納米管膜材料的制備方法及其應(yīng)用。
[0005]本發(fā)明一種細(xì)菌纖維素/活性碳纖維/碳納米管膜材料的制備方法，按如下步驟進(jìn)行:
[0006]—、將細(xì)菌纖維素剪切成塊浸泡在去離子水中超聲洗滌，然后用液氮冷凍后進(jìn)行冷凍干燥15?30h，獲得備用細(xì)菌纖維素；
[0007]二、將備用細(xì)菌纖維素置于管式爐中進(jìn)行高溫?zé)峤猓吹没钚蕴祭w維，然后向活性碳纖維中加入表面活性劑，再分散在去離子水中，得到活性碳纖維分散液；
[0008]三、將細(xì)菌纖維素剪切成塊后浸泡在去離子水中超聲洗滌，然后置于去離子水中，攪拌使其分散均勻，再轉(zhuǎn)移到勻漿機(jī)中攪拌，得到細(xì)菌纖維素漿料；
[0009]四、向酸化的碳納米管中加入表面活性劑，然后分散在去離子水中，得到碳納米管分散液；將碳納米管分散液加入到活性碳纖維分散液中，攪拌使碳納米管和活性碳纖維分散均勻，得到復(fù)合材料分散液；
[0010]五、將步驟三的細(xì)菌纖維素漿料真空抽濾成膜，然后加入復(fù)合材料分散液繼續(xù)抽濾成膜，再放入真空干燥箱中進(jìn)行干燥，制成細(xì)菌纖維素/活性碳纖維/碳納米管膜材料；其中細(xì)菌纖維素/活性碳纖維/碳納米管膜材料中細(xì)菌纖維素與步驟二的活性碳纖維的質(zhì)量比為(15?1.5):1 ;細(xì)菌纖維素/活性碳纖維/碳納米管膜材料中細(xì)菌纖維素與步驟四中酸化的碳納米管的質(zhì)量比為I: (0.02?0.2)。
[0011]本發(fā)明細(xì)菌纖維素/活性碳纖維/碳納米管膜材料的應(yīng)用是指作為電極應(yīng)用于超級電容器中。
[0012]活性碳纖維具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)電性和贗電容儲能特性，被認(rèn)為是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ某夒娙萜麟姌O材料。細(xì)菌纖維素，其薄膜具有超精細(xì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，裂解后的細(xì)菌纖維素可制作納米碳纖維，所得活性碳纖維性能優(yōu)良。
[0013]細(xì)菌纖維素是通過微生物的發(fā)酵獲得的，其性能優(yōu)良、資源豐富、環(huán)境友好，薄膜具有超精細(xì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、高結(jié)晶度、高純度、高機(jī)械強(qiáng)度，作為一種新興的環(huán)境友好型材料成為國內(nèi)外材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，細(xì)菌纖維素含有大量的羥基，具有良好的親水性，與其他水溶性的高分子容易發(fā)生氫鍵結(jié)合，因而細(xì)菌纖維素作為復(fù)合材料具有天然的優(yōu)勢。
[0014]碳納米管由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、化學(xué)性能、熱性能和電性能而廣受關(guān)注。其應(yīng)用已經(jīng)涉及到納米電子器件、催化劑載體、儲氫材料和復(fù)合材料等多方面。當(dāng)其與其他碳材料復(fù)合應(yīng)用于超級電容器方面具有廣闊的前景。
[0015]本發(fā)明利用一種低成本、對環(huán)境友好且可規(guī)?；闹苽浞绞?，通過真空抽濾，制備出膜材料并以此組裝成電容器。結(jié)構(gòu)表明膜材料力學(xué)性能優(yōu)良，具有很好的電容性質(zhì)和優(yōu)良的循環(huán)使用性。因此，這種膜材料在超級電容器中的應(yīng)用具有廣闊商業(yè)前景。
[0016]本發(fā)明的有益效果:(I)利用細(xì)菌纖維素超精細(xì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)性能等特性，以此為基底負(fù)載納米活性物質(zhì)，可制備成超級電容器用自支撐自支撐柔性電極；⑵利用細(xì)菌纖維素超精細(xì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)直接高溫裂解制備活性碳纖維；(3)可規(guī)?；a(chǎn)，制備工藝簡單、節(jié)能、反應(yīng)條件溫和、毒性小，原料廉價易得成本低、膜材料穩(wěn)定性及力學(xué)性能好；
(4)直接用做超級電容器電極具有很好的電容性。
【附圖說明】
[0017]圖1為實(shí)施例1制備的細(xì)菌纖維素/活性碳纖維/碳納米管膜材料的照片；
[0018]圖2為實(shí)施例1所獲得的以細(xì)菌纖維素/活性碳纖維/碳納米管膜材料制備的工作電極在6M氫氧化鉀電解液中的不同掃描速度下的循環(huán)伏安曲線；其中a為10mV/S，b為20mV/s，c 為 50mV/s ；
[0019]圖3為實(shí)施例1所獲得的以細(xì)菌纖維素/活性碳纖維/碳納米管膜材料制備的工作電極在6M氫氧化鉀電解液中的恒電流充放電曲線；其中a為lmA/cm2，b為2mA/cm2，c為5mA/cm2，d 為 10mA/cm2，e 為 15mA/cm2 ；
[0020]圖4為實(shí)施例1中所獲得的以細(xì)菌纖維素/活性碳纖維/碳納米管膜材料制備的工作電極的交流阻抗譜圖；
[0021]圖5為實(shí)施例2所獲得的以細(xì)菌纖維素/活性碳纖維/碳納米管膜材料制備的工作電極在6M氫氧化鉀電解液中的不同掃描速度下的循環(huán)伏安曲線；其中a為10mV/S，b為30mV/s，c 為 50mV/s ；
[0022]圖6為實(shí)施例2所獲得的以細(xì)菌纖維素/活性碳纖維/碳納米管膜材料制備的工作電極在6M氫氧化鉀電解液中的恒電流充放電曲線；其中a為lmA/cm2，b為2mA/cm2，c為5mA/cm2，d 為 10mA/cm2，e 為 15mA/cm2 ；
[0023]圖7為實(shí)施例2中所獲得的以細(xì)菌纖維素/活性碳纖維/碳納米管膜材料制備的工作電極的交流阻抗譜圖；
[0024]圖8為實(shí)施例1?2所獲得的以細(xì)菌纖維素/活性碳纖維/碳納米管膜材料制備的工作電極在6M氫氧化鉀電解液中依據(jù)恒電流充放電曲線計(jì)算所得的比電容曲線，其中a為 BC-ACF-CNT-1，b 為 BC-ACF-CNT-2。
【具體實(shí)施方式】
[0025]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉的【具體實(shí)施方式】，還包括各【具體實(shí)施方式】之間的任意組合。
[0026]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式一種細(xì)菌纖維素/活性碳纖維/碳納米管膜材料的制備方法，按如下步驟進(jìn)行:
[0027]—、將細(xì)菌纖維素剪切成塊浸泡在去離子水中超聲洗滌，然后用液氮冷凍后進(jìn)行冷凍干燥15?30h，獲得備用細(xì)菌纖維素；
[0028]二、將備用細(xì)菌纖維素置于管式爐中進(jìn)行高溫?zé)峤?，即得活性碳纖維，然后向活性碳纖維中加入表面活性劑，再分散在去離子水中，得到活性碳纖維分散液；
[0029]三、將細(xì)菌纖維素剪切成塊后浸泡在去離子水中超聲洗滌，然后置于去離子水中，攪拌使其分散均勻，再轉(zhuǎn)移到勻漿機(jī)中攪拌，得到細(xì)菌纖維素漿料；
[0030]四、向酸化的碳納米管中加入表面活性劑，然后分散在去離子水中，得到碳納米管分散液；將碳納米管分散液加入到活性碳纖維分散液中，攪拌使碳納米管和活性碳纖維分散均勻，得到復(fù)合材料分散液；
[0031]五、將步驟三的細(xì)菌纖維素漿料真空抽濾成膜，然后加入復(fù)合材料分散液繼續(xù)抽濾成膜，再放入真空干燥箱中進(jìn)行干燥，制成細(xì)菌纖維素/活性碳纖維/碳納米管膜材料；其中細(xì)菌纖維素/活性碳纖維/碳納米管膜材料中細(xì)菌纖維素與步驟二的活性碳纖維的質(zhì)量比為(15?1.5):1 ;細(xì)菌纖維素/活性碳纖維/碳納米管膜材料中細(xì)菌纖維素與步驟四中酸化的碳納米管的質(zhì)量比為I: (0.02?0.2)。
[0032]活性碳纖維具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)電性和贗電容儲能特性，被認(rèn)為是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ某夒娙萜麟姌O材料。細(xì)菌纖維素，其薄膜具有超精細(xì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，裂解后的細(xì)菌纖維素可制作納米碳纖維，所得活性碳