一种壁厚可控的聚苯硫醚基中空纤维及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种壁厚可控的聚苯硫醚基中空纤维及其制备方法和应用。本发明专利技术通过纤维皮层可控氧化，使纤维形成芯层仍为PPS成分而皮层为抗氧化性酸成分的皮芯结构复合纤维，同时，通过调控PPS纤维皮层的氧化处理深度，能够得到不同氧化深度的皮芯结构复合纤维，随后再使用芯层可控氧化溶出法去除纤维芯层的未氧化的PPS成分，从而形成中空结构，得到一系列不同壁厚的PPS基中空纤维。所制备的中空纤维具有极强的耐酸性，可以用于极端环境中发的分离、过滤及回收。本发明专利技术所制备的中空纤维作为前驱体所制备的碳材料，具有大量的活性位点，作为金属空气电池阴极的氧还原催化剂，表现出了极其优异的催化活性和稳定性。了极其优异的催化活性和稳定性。了极其优异的催化活性和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种壁厚可控的聚苯硫醚基中空纤维及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及PPS中空纤维制备领域，具体是一种壁厚可控的聚苯硫醚基中空纤维及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]由于化石燃料的过度使用导致了地球环境的恶化和能源枯竭问题，开发绿色可持续发展的新能源是21世纪人类面临的最大挑战之一。具有极高理论能量密度的金属空气电池引发研究人员的广泛关注，然而目前驱动金属空气电池阴极的催化剂主要是贵金属Pt和Ru，其储量低、成本高、稳定性差等缺点限制了金属空气电池的大规模使用。因此，开发高效、低成本的功能化碳基催化剂来替代贵金属催化剂是实现金属空气电池大规模使用的重点。
[0003]聚苯硫醚(PPS)是一种高含硫量的工程塑料材料，其理论含S量高达30％，因此将PPS材料热解后所形成的多孔碳用作金属空气电池的阴极的氧还原催化剂具有重大研究价值。然而，PPS材料在受热之后会发生融滴，严重影响了所制备碳材料孔道结构而无法起到优异的催化效果。申请号为201510631820.5的专利公开了一种具有自熄性和无融滴的聚苯硫醚纤维，这种新型PPS材料克服了受热融滴的缺点，可以在热解过程中保持形貌结构不变。基于此技术，文献《M.Wang,K.Su,M.Zhang,X.Du,Z.Li,Advanced Trifunctional Electrocatalysis with Cu
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,N
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,S
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Doped Defect
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Rich Porous Carbon for Rechargeable Zn
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Air Batteries and Self
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Driven Water Splitting,ACS Sustainable Chem.Eng.9(2021)13324
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13336》利用PPS材料成功构筑了多孔的N、S共掺杂碳基氧还原催化剂，但是受限于PPS本身较大的微米级尺寸，所制备的催化剂比表面积较小，催化性能还有待进一步提升。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种壁厚可控的聚苯硫醚基中空纤维及其制备方法和应用。
[0005]本专利技术解决所述方法技术问题的技术方案是，提供一种壁厚可控的聚苯硫醚基中空纤维的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0006]步骤1、将去离子水、氧化剂与酸共混形成氧化处理溶液；
[0007]步骤2、将PPS纤维均匀分散在氧化处理溶液中，然后在20～100℃下氧化反应0.01～48h；取出后，冲洗至中性；干燥后，得到氧化程度可控的氧化PPS纤维；
[0008]步骤3、将步骤2得到的氧化PPS纤维放入氧化性酸溶液中进行反应，直至不再产生棕红色气体并且在溶液中不再产生白色乳状物质；取出后，冲洗至中性；干燥后，得到壁厚可控的PPS基中空纤维。
[0009]本专利技术解决所述中空纤维技术问题的技术方案是，提供一种所述方法制备得到的壁厚可控的聚苯硫醚基中空纤维。
[0010]本专利技术解决所述应用技术问题的技术方案是，提供一种所述的壁厚可控的聚苯硫醚基中空纤维的应用，其特征在于，将所述PPS基中空纤维浸渍在金属盐溶液中来吸附金属离子，取出后蒸干水分；再置于密闭加热环境中在500℃～1200℃的氨气氛围中碳化0.5h～5h，得到金属、N、S共掺杂的中空纤维状碳基氧还原催化剂，用于锌
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空气电池或氢燃料电池的氧还原催化剂。
[0011]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0012](1)本专利技术以PPS纤维为基体，通过纤维皮层可控氧化和芯层可控氧化溶出法相结合的工艺制备了一种壁厚可控的PPS基中空纤维。
[0013](2)本专利技术通过纤维皮层可控氧化法靶向调控PPS纤维的皮层性质，氧化进程是由外向内的，进而使纤维形成芯层仍为PPS成分而皮层为抗氧化性酸成分的皮芯结构复合纤维，同时，通过调控PPS纤维皮层的氧化处理深度，能够得到不同氧化深度的皮芯结构复合纤维，随后再使用芯层可控氧化溶出法去除纤维芯层的未氧化的PPS成分，从而形成中空结构，得到一系列不同壁厚的PPS基中空纤维。
[0014](3)本专利技术所制备的中空纤维具有极强的耐酸性，可以在浓盐酸、浓硝酸甚至王水中长期稳定使用，是一种理想的过滤和分离材料，可以用于极端环境下的有机溶剂回收(强溶解性)和高浓污水处理(强腐蚀性)等。同时，其具有优异的耐高温稳定性，并且内部的孔腔结构大幅提高了与反应物的接触面积，未来可以广泛用于高温废气(含腐蚀性)处理以及细颗粒型工业危险废物高效分离、过滤及回收等领域。
[0015](4)本专利技术所制备的中空纤维作为前驱体所制备的碳材料，具有独特的中空结构，可以暴露出大量的活性位点，具有更高比表面积和孔隙率，在热解过程中将极大的提高气体与前驱体的接触面积。其可以作为催化剂用于能源存储和转换领域(例如：锂硫电池、金属空气电池和超级电容器)。特别是将其作为金属空气电池阴极的氧还原催化剂，表现出了极其优异的催化活性和稳定性，能够推动金属空气电池的商业化发展。
附图说明
[0016]图1为本专利技术实施例1
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6中使用的PPS纤维的扫描电镜图；
[0017]图2为本专利技术实施例1中制得的HOPPS
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1的扫描电镜图；
[0018]图3为本专利技术实施例1中的PPS、OPPS
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1和HOPPS
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1的傅里叶红外图谱；
[0019]图4为本专利技术实施例1中制得的Ni@NS
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HCF的扫描电镜图(a为600倍，b为5000倍)；
[0020]图5为本专利技术实施例1中制得的Ni@NS
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HCF的截面的透射电镜图(a为3000倍，b为100000倍，c为1000000倍)；
[0021]图6为本专利技术实施例1中制得的Ni@NS
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HCF的XRD图谱；
[0022]图7为本专利技术实施例1中制得的Ni@NS
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HCF的Raman图谱；
[0023]图8为本专利技术实施例1中制得的Ni@NS
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HCF的XPS图谱；
[0024]图9为本专利技术实施例1中制得的Ni@NS
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HCF的氮气
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吸脱附曲线图；
[0025]图10为本专利技术实施例1中制得的Ni@NS
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HCF的孔径分布曲线图；
[0026]图11为本专利技术实施例1中制得的Ni@NS
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HCF在O2饱和的0.1M的KOH中的循环伏安曲线图；
[0027]图12为本专利技术实施例1中制得的Ni@NS
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HCF在O2饱和的0.1M的KOH中的线性扫描伏
安曲线图；
[0028]图13为本专利技术实施例1中制得的Ni@NS
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种壁厚可控的聚苯硫醚基中空纤维的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1、将去离子水、氧化剂与酸共混形成氧化处理溶液；步骤2、将PPS纤维均匀分散在氧化处理溶液中，然后在20～100℃下氧化反应0.01～48h；取出后，冲洗至中性；干燥后，得到氧化程度可控的氧化PPS纤维；步骤3、将步骤2得到的氧化PPS纤维放入氧化性酸溶液中进行反应，直至不再产生棕红色气体并且在溶液中不再产生白色乳状物质；取出后，冲洗至中性；干燥后，得到壁厚可控的PPS基中空纤维。2.根据权利要求1所述的壁厚可控的聚苯硫醚基中空纤维的制备方法，其特征在于，步骤1中，氧化剂为过氧乙酸、双氧水、过甲酸、HClO、NaClO、过硫酸钠或过氧化苯甲酸；酸为硫酸、盐酸、硝酸、磷酸、杂多酸、甲酸、乙酸、苯甲酸、苯磺酸、三氟乙酸、酸性分子筛、固体超强酸或醋酸。3.根据权利要求1所述的壁厚可控的聚苯硫醚基中空纤维的制备方法，其特征在于，步骤1中，氧化剂的质量分数为20～70wt％，酸的质量分数为5～20wt％。4.根据权利要求1所述的壁厚可控的聚苯硫醚基中空纤维的制备方法，其特征在于，步骤1中，氧化处理溶液的pH控制在3～9。5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：李振环，王明稳，张马亮，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：