一种氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维及其制备方法技术

为进一步提高纳米碳材料有效活性位点的暴露、电催化效率及稳定性，本发明专利技术提供一种氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维，其中，氮含量为5‑20wt％，磷含量为5‑20wt％，氟含量为5‑20wt％。同时，本发明专利技术还公开了上述氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维的制备方法。本发明专利技术提供的氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维存在大量孔状结构，比表面积较大，有利于电催化效率的提高，同时由于氮/磷/氟三元掺杂，暴露更多活性位点，并且稳定性得到极大提高。

【技术实现步骤摘要】
一种氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维及其制备方法
本专利技术属于电催化材料
，具体涉及一种氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维及其制备方法。
技术介绍
一直以来，纳米材料在电催化的应用较广。首先，在电催化过程中，纳米材料与宏观尺度材料相比在单位体积内具有更大的比表面积，从而为电解液离子提供了更大的接触面积；其次，纳米材料的合成方式多样，形貌结构多样，不同微观结构的构建在纳米尺度上所暴露的有效活性位点不同，即不同晶面效应的影响。但是，由于能源材料的紧缺，使得有效电极的构建及电催化效率的提高对于电化学的发展起着重要作用。但是，性能良好的催化剂一直是以铂等为主的贵金属催化剂。近几年来各种非贵金属及非金属纳米电极材料成为研究热点，因此，一些新型纳米碳材料，如碳纳米管(CNT)、碳纳米球、碳纤维、富勒烯C60、石墨烯等由于其独特的结构与性质，如较高的比表面积、良好的导电性及离子传输速率，在超级电容器、场发射、纳米电子器件、催化剂等领域具有潜在的应用前景。
技术实现思路
为进一步提高纳米碳材料有效活性位点的暴露、电催化效率及稳定性，本专利技术提供一种氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案如下：提供一种氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维，其中，氮含量为5-20wt％，磷含量为5-20wt％，氟含量为5-20wt％。同时，本专利技术还提供了上述氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维的制备方法，包括：将N,N-二甲基甲酰胺、六氟磷酸钠和聚丙烯腈混合，得到电纺溶液；然后采用电纺溶液进行静电纺丝，制备聚合物纤维；再将所述聚合物纤维进行碳化热处理，得到前驱体，然后对所述前驱体进行酸洗，得到所述氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维。本专利技术提供的氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维中存在大量孔状结构，比表面积较大，有利于电催化效率的提高。同时，由于采用氮/磷/氟三种特定元素进行掺杂，暴露更多活性位点，电化学反应活性高。另外，该氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维具有优异的稳定性。附图说明图1是本专利技术实施例1制备得到的氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维的SEM图；图2是本专利技术实施例2制备得到的氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维的SEM图；图3为实施例1～2制备得到的氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维的工作电极的极化曲线。具体实施方式为了使本专利技术所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术提供的氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维中，氮含量为5-20wt％，磷含量为5-20wt％，氟含量为5-20wt％。优选情况下，上述氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维的直径为200-600nm。同时，本专利技术还公开了上述氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维的制备方法，具体包括：将N,N-二甲基甲酰胺、六氟磷酸钠和聚丙烯腈混合，得到电纺溶液；然后采用电纺溶液进行静电纺丝，制备聚合物纤维；再将所述聚合物纤维进行碳化热处理，得到前驱体，然后对所述前驱体进行酸洗，得到所述氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维。根据本专利技术，首先，配制电纺溶液，该电纺溶液包括N,N-二甲基甲酰胺、六氟磷酸钠和聚丙烯腈。电纺溶液中，N,N-二甲基甲酰胺、六氟磷酸钠和聚丙烯腈的相对含量可在较大范围内变动，优选情况下，所述电纺溶液中，六氟磷酸钠：N,N-二甲基甲酰胺：聚丙烯腈的质量比为0.35-1.0：4.0-7.0：0.4-0.6。上述N,N-二甲基甲酰胺、六氟磷酸钠和聚丙烯腈均为化学领域公知的材料，可通过常规商购得到。本专利技术中，优选情况下，所述聚丙烯腈的重均分子量为15000-150000。配制得到上述电纺溶液后，即可进行静电纺丝处理。本专利技术中，静电纺丝所采用的设备可采用现有技术中所常用的各种静电纺丝设备，优选情况下，进行所述静电纺丝时，以铝制散热板作为收集基底，纺丝针头的内径为0.6-1.0mm，喷丝口距收集基底10-15cm。静电纺丝的条件可根据实际情况进行调整，优选情况下，进行所述静电纺丝时，电纺溶液的喷速为0.4-0.6ml/h，高压电源电压区间为10.5-14kV。通过上述静电纺丝处理即可获得聚合物纤维。然后再对上述聚合物纤维进行碳化热处理，形成前驱体。本专利技术中，优选情况下，所述碳化热处理的温度为900-1100℃，时间为2-6h，升温速率是8-15℃/min。根据本专利技术，还需对碳化热处理后得到的前驱体进行酸洗，本专利技术中，优选情况下，酸洗条件为：在60-80℃下以盐酸对所述前驱体进行酸洗。经过酸洗后，再经高速离心分离得到沉淀物，再分别以去离子水和无水乙醇离心洗涤后，于40-60℃下真空干燥8-24h，即可得到本专利技术提供的氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维。通过本专利技术制备方法制备得到的氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维中存在大量孔状结构，比表面积较大，有利于电催化效率的提高。同时，由于采用氮/磷/氟三种特定元素进行掺杂，暴露更多活性位点，电化学反应活性高，电子传导率高。另外，该氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维具有优异的稳定性。并且，其制备方法简单，重复性可靠。该氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维可广泛应用于电催化、超级电容器、场发射、纳米电子器件、催化剂等领域。以下通过实施例对本专利技术进行进一步的说明。实施例1本实施例用于说明本专利技术公开的氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维及其制备方法。将0.35g六氟磷酸钠和0.4g聚丙烯腈溶于4.6gN,N-二甲基甲酰胺，并在60℃温度下剧烈搅拌24h，配制电纺溶液。上述六氟磷酸钠和N,N-二甲基甲酰胺分别购自上海麦克林生化科技有限公司和国药集团化学试剂有限公司，聚丙烯腈购自Sigma-Aldrich公司，分子量为Mw＝150000。然后利用常规的电纺设备进行静电纺丝，制备聚合物纤维。电纺所用高压电源为东文高压电源(天津)有限公司生产的高压电源。电纺时利用铝制散热板作为收集基底，纺丝针头的内径为0.8mm，电纺溶液的喷速0.5ml/h，喷丝口距收集基底12cm，电压设置为10.5kV。将上述静电纺丝得到的聚合物纤维置于管式炉中，以40mL/min的流速通入纯度为99.99％的氩气，以10℃/min的升温速率加热到900℃，恒温2h，然后自然冷却到室温，得到黑色前驱体，所用管式炉为安徽贝意克设备技术有限公司生产的开启式真空管式炉。将热处理后的黑色前驱体置于内衬材质为聚四氟乙烯、容积为30ml的不锈钢反应釜中密封酸洗，酸洗时所用酸为浓度为37％的盐酸，所加盐酸体积为20ml，干燥箱的加热温度为80℃，加热时间为24h，所用干燥箱为天津中环电炉设备有限公司生产的电热鼓风干燥箱。再通过离心将酸去除，用去离子水和无水乙醇离心洗涤2次后，将得到的沉淀物放置在60℃真空干燥箱中干燥12h，即得到目标产物。经元素含量分析，本实施例1中氮、磷和氟元素含量分别为15wt％、8wt％和8wt％。电催化测试采用电化学工作站，在三电极电解池中以玻碳电极为工作电极，铂丝电极为对比电极，氯化银电极为参比电极，0.1mol·L-1的氢氧化钾溶液为电解质，工作电极转速为800～2000rpm·min-1，线性扫描速率为5mV·s-1下获得不同转速的极化曲线。图1为本实施例1制备的氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维，碳纤维直径约为300-400纳米。实施例2本实施例用于说明本专利技术公本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维，其特征在于，氮含量为5‑20wt％，磷含量为5‑20wt％，氟含量为5‑20wt％。

【技术特征摘要】
1.一种氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维，其特征在于，氮含量为5-20wt％，磷含量为5-20wt％，氟含量为5-20wt％。2.根据权利要求1所述的氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维，其特征在于，其直径为200-600nm。3.一种氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维的制备方法，其特征在于，包括：将N,N-二甲基甲酰胺、六氟磷酸钠和聚丙烯腈混合，得到电纺溶液；然后采用电纺溶液进行静电纺丝，制备聚合物纤维；再将所述聚合物纤维进行碳化热处理，得到前驱体，然后对所述前驱体进行酸洗，得到所述氮/磷/氟三元共掺杂碳纤维。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述电纺溶液中，六氟磷酸钠：N,N-二甲基甲酰胺：聚丙烯腈的质量比为0.35-1.0：4.0-7.0：0.4-0.6。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述聚丙烯腈的重均分...

【专利技术属性】
技术研发人员：马建民，张丽兰，毛玉华，石桥，武明光，
申请(专利权)人：深圳新宙邦科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44