一种搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜，选择富含纤维素的莲蓬壳作为原料，首先利用碱式消解法制得纳米纤维丝，再在表面搭载三嗪框架的聚合物，制备获得搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜，具备更为丰富的亲水基团—氨基、更优异的机械强度、高抗弯曲能力、低电化学阻抗性能和高离子电导率。组合后的隔膜用于锌离子杂化超级电容器中，比电容储存性能高、稳定性能高，循环使用寿命长，该发明专利技术具备良好的商业前景。商业前景。商业前景。

【技术实现步骤摘要】
一种搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种隔膜，具体涉及一种以采用莲蓬壳为原材料制备的隔膜，属于农林废弃资源综合利用制备隔膜材料


技术介绍

[0002]目前，锂离子电池(LIBs)的高成本和安全问题严重阻碍了其规模化应用，而利用微酸性水电解质的锌离子电池(AZIBs)被认为是LIBs的一种很有前途的替代品，其优势主要包括：(1)锌资源丰富、成本低，(2)锌具有较大的导电能力、能量密度以及低氧化还原电位，(3)AZIBs采用水系电解质，不易燃烧、更安全。然而，由于锌枝晶生长、析氢、表面钝化等原因导致锌金属不稳定，低功率密度，低比电容量，导致了低库仑效率和循环寿命不足；以及不受控制的锌枝晶生长和不良副反应大大减少了AZIBs的使用寿命，阻碍了AZIBs的实际应用。另外，目前传统的超级电容器的研究相对成熟，但与锌离子电池的特点相反，其优势主要为具备优异的功率密度以及高质量比电容，同时该类储能材料在多次充放电循环使用下仍旧能保持较高的稳定性；然而，低能量密度和导电性是大部分传统超级电容器所面临的问题。
[0003]为了克服上述问题，国内外研究人员提出了一系列的策略。如多种锌阳极保护策略：其中，锌阳极表面改性是重构电解质
‑
阳极界面的有效途径；所报道的保护层包括无机金属化合物、有机聚合物、水凝胶等。然而，大部分涂层增加了界面电阻，并表现出较低的离子电导率。并且无机复合层普遍缺乏弹性和柔韧性，在长期镀/剥锌过程中不可避免地破坏其稳定性能。还有研究人员提出了将锌离子电池与传统超级电容器相结合，组合成锌离子杂化超级电容器，锌离子杂化电容器有效结合了锌离子电池和超级电容器的优点，可同时实现高能量密度和高功率密度，能同时弥补锌离子电池和传统超级电容器的缺陷。但值得注意的是，现有技术中的水系锌离子杂化电容器仍存在比容量较低，锌阳极枝晶生长、副反应的发生仍旧是改良锌离子杂化超级电容器所面临的主要寿命问题，阻碍了锌离子杂化超级电容器在实际应用中的进一步发展。
[0004]为克服这一问题，通常采用涂覆锌阳极的保护层，修饰隔膜，使用电解质添加剂等方式。需要注意的是，隔膜的性能对电池性能影响很大，因为隔膜隔离阴极和阳极，与两个电极紧密接触，为电解质离子提供了传输途径。目前玻璃纤维滤纸是最常用的隔膜类型。然而，该隔膜机械强度低，性质脆弱，孔隙大而不均匀，电化学阻抗电阻大，组成电容器的电导率低，锌枝晶容易形成并穿透膜隔膜，使用寿命短，稳定性差。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，鉴于纤维素的高机械强度，优良亲水性和的生物降解性等特点，本专利技术提供一种搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜，首先选择富含纤维素的莲蓬壳作为原料，首先利用碱式消解法制得纳米纤维丝，再在表面搭载含有三嗪框架的聚合物，制备获得搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜，所专利技术的新型纤维素隔膜将具备更为丰富的亲水基
团—氨基、更优异的机械强度、高抗弯曲能力、低电化学阻抗性能和高离子电导率。组合后的纤维隔膜用于锌离子杂化超级电容器中，以经济环保、操作简易的方式实现废弃资源在储能器件隔膜上的高效循环利用。该制备方法简单、成本低廉，与传统玻璃纤维隔膜相比，本专利技术既实现了农林废弃资源的有效循环利用，可作为多种储能器件的阴阳极分离装置。当被运用于锌离子杂化超级电容器时，由于该莲蓬壳纤维隔膜表现出优异的低电阻阻抗和高离子传输效率，以及水润湿性；锌离子杂化超级电容器的比电容储存性能高、循环稳定性能高。最为重要的是，经过搭载了三嗪框架后的莲蓬壳纤维隔膜将有效抑制阳极的锌离子发生枝晶生长及副反应发生，极大提高了器件的循环使用寿命，该专利技术具备良好的商业前景。
[0006]根据本专利技术提供的第一种实施方案，提供一种搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜。
[0007]一种搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜，该莲蓬壳纤维隔膜通过以下方法制备：将莲蓬壳经过碱式消解法处理获得纳米纤维丝，然后将获得的纳米纤维丝搭载三嗪聚合物，获得搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜。
[0008]在本专利技术中，所述搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜，通过接触角测试证明，接触角恢复为0
°
所经过的时间不超过150ms，优选不超过120ms，更优选不超过100ms。
[0009]在本专利技术中，所述搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜的弯曲测试角度不低于120
°
，优选不低于180
°
，更优选不低于240
°
。
[0010]在本专利技术中，所述搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜的厚度不高于50μm，优选不高于40μm，更优选不高于30μm。
[0011]在本专利技术中，所述搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜，通过电化学测试证明，该莲蓬壳纤维隔膜的电化学阻抗不超过300Ω，优选不超过200Ω，更优选不超过150Ω。
[0012]在本专利技术中，所述搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜的离子电导率不低于18μS
·
cm
–1，优选不低于20μS
·
cm
–1，更优选不低于22μS
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cm
–1。
[0013]根据本专利技术提供的第二种实施方案，提供一种搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜的制备方法。
[0014]一种制备搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜的方法或制备第一种实施方案中所述搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜的方法，该方法包括以下步骤：
[0015](1)莲蓬壳预处理：先将莲蓬壳进行破碎处理，然后洗涤并干燥，获得预处理后的莲蓬壳；
[0016](2)纤维化处理：将预处理后的莲蓬壳浸渍于碱溶液中，加热进行反应，分离并洗涤，进行分离后获得纳米纤维丝；
[0017](3)隔膜制备：将纳米纤维丝浸渍于三嗪化合物的氢氧化钠醇溶液中，进行反应，分离后获得搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜。
[0018]在本专利技术中，所述莲蓬壳为废弃莲蓬壳。
[0019]在本专利技术中，所述碱溶液为氢氧化钾或氢氧化钠。
[0020]作为优选，碱溶液的浓度为1～10mol/L，优选2～8mol/L，更优选5～7mol/L。
[0021]在本专利技术中，所述三嗪化合物为单体I和单体II的混合物(或者，三嗪化合物为单体I和单体II构筑的三嗪聚合物)，其中单体I为三聚氰胺、三聚氰酸或三聚硫氰酸中的一种或多种，单体II为三聚氯氰；优选单体I为三聚氰胺和三聚氰酸，更优选为三聚氰胺。
[0022]在本专利技术中，所述氢氧化钠醇溶液为氢氧化钠的乙醇溶液。
[0023]作为优选，所述三嗪化合物的氢氧化钠醇溶液中，单体I的浓度为0.1～1mol/L，优选0.2～0.8mol/L，更优选0.4～0.6mol/L。单体II的浓度为0.1～1mol/L，优选0.2～0.8mol/L，更优选0.4～0.6mol/L。氢氧化钠的浓度为0.2～2mol/L，优选0.4～1.6mol/L，更优选0.8～1.2mol/L。
[0024]在本专利技术中，预处理后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜，其特征在于：该莲蓬壳纤维隔膜通过以下方法制备：将莲蓬壳经过碱式消解法处理获得纳米纤维丝，然后将获得的纳米纤维丝搭载三嗪聚合物，获得搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜。2.根据权利要求1所述的搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜，其特征在于：所述搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜，通过接触角测试证明，接触角恢复为0
°
所经过的时间不超过150ms，优选不超过120ms，更优选不超过100ms；和/或所述搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜的弯曲测试角度不低于120
°
，优选不低于180
°
，更优选不低于240
°
。3.根据权利要求1或2所述的搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜，其特征在于：所述搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜的厚度不高于50μm，优选不高于40μm，更优选不高于30μm；和/或所述搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜，通过电化学测试证明，该莲蓬壳纤维隔膜的电化学阻抗不超过300Ω，优选不超过200Ω，更优选不超过150Ω；和/或所述搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜的离子电导率不低于18μS
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cm
–1，优选不低于20μS
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cm
–1，更优选不低于22μS
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–1。4.一种制备搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜的方法或制备权利要求1
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3中任一项所述搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜的方法，该方法包括以下步骤：(1)莲蓬壳预处理：先将莲蓬壳进行破碎处理，然后洗涤并干燥，获得预处理后的莲蓬壳；(2)纤维化处理：将预处理后的莲蓬壳浸渍于碱溶液中，加热进行反应，分离并洗涤，进行分离后获得纳米纤维丝；(3)隔膜制备：将纳米纤维丝浸渍于三嗪化合物的氢氧化钠醇溶液中，进行反应，分离后获得搭载三嗪框架的莲蓬壳纤维隔膜。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述莲蓬壳为废弃莲蓬壳；和/或所述碱溶液为氢氧化钾或氢氧化钠；碱溶液的浓度为1～10mol/L，优选2～8mol/L，更优选5～7mol/L；和/或所述三嗪化合物为单体I和单体II的混合物，其中单体I为三聚氰胺、三聚氰酸或三聚硫氰酸中的一种或多种，单体II为三聚氯氰；优选单体I为三聚氰胺，优选单体II为三聚氯氰；所述氢氧化钠醇溶液为氢氧化钠的乙醇溶液；作为优选，所述三嗪化合物的氢氧化钠醇溶液中，单体I的浓度为0.1～1mol/L，优选0.2～0.8mol/L，更优选0.4～0.6mol/L；单体II的浓度为0.1～1mol/L，优选0.2～0.8mol/L，更优选0.4～0.6mol/L；氢氧化钠的浓度为0.2～2mol/L，优选0.4～1.6mol/L，更优选0.8～1.2mol/L。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：预处理后的莲蓬壳的质量用量与碱溶液的体积用量比为1～5g:1～100ml，优选为1.5～4.5g:2～50ml，更优选为2～3g:3～20ml；和/或纳米纤维丝的质量用...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘备，叶勇，李婷，谢秦琼，杨端光，黎华明，
申请(专利权)人：佛山湘潭大学绿色智造研究院，
类型：发明
国别省市：