[发明专利]一种氮掺杂多孔纳米碳纤维及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氮掺杂多孔纳米碳纤维的制备方法，所述的氮掺杂多孔纳米碳纤维是采用纤维素聚丙烯腈分子刷为模板制备而成的，其包括以下步骤：将纤维素溶解在离子液体中形成均匀的溶液后；加入卤化试剂进行升温反应，将反应液反复沉淀提纯，得到卤化纤维素聚合物；将其溶解在极性有机溶剂中，再依次加入丙烯腈单体、卤化铜和有机配体，并混合均匀；然后通入氮气除氧、冷冻后，加入卤化亚铜，密封后升温进行ATRP反应，得到纤维素聚丙烯腈分子刷；将纤维素聚丙烯腈分子刷在惰性气体中进行高温碳化，得到氮掺杂多孔纳米碳纤维。本发明制得的多孔纳米碳纤维具有尺寸均匀、直径可控、孔径分布窄的特点。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，尤其涉及一种氮掺杂多孔纳米碳纤维的制备方法。

背景技术

纳米多孔碳纤维材料作为新型的碳基材料，具有大的比表面积、独特的孔结构、良好的耐热耐腐性能、优良的生物相容性以及优异的机械性能和电化学性能，在吸附、催化剂载体、电磁波吸收材料、药物控释、超级电容器等领域具有广泛的应用前景。然而，单一的碳材料化学活性低，分散性和离子亲和性差等一系列的缺陷限制了其发展。由于氮的电负性高于碳的电负性，且氮原子与碳原子之间有可比的原子尺寸和可成键的电子价态，因此氮掺杂的碳基材料被广为研究。经研究表明氮掺杂能够大幅提高多孔碳纤维的化学反应活性、电导率和吸附性能，含氮的官能团在大电流充放电时有促进电子传递的作用，同时能够调节孔道结构，增强其亲水性，并提供大量化学活性位点，增强其吸附性能。

现有技术公开了多种多孔碳纤维材料的制备方法，主要有模板法、水热碳化法、化学气相沉积、湿法纺丝以及静电纺丝法等。其中，静电纺丝法具有设备简单、高效、成本低、能够连续制备纳米纤维等优点，受到国内外的广泛研究。如专利（CN106521717A）采用聚丙烯腈、造孔剂二氧化硅和N，N-二甲基甲酞胺的纺丝液进行静电纺丝，制备了高比表面积的多孔碳纤维。但其后续处理复杂，除去造孔剂则需要用到有毒的化学物质如热碱，且多孔碳纤维的直径较大皆处于微米级别。专利（CN202181384U）以PAN为成碳前驱体聚合物，聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)为热分解聚合物，采用静电纺丝法制备了多孔碳纤维，纤维的直径在10-100微米之间；同时静电纺丝是一种高度不稳定的技术，纤维射流在拉伸、细化的过程中受到多种非稳定因素的影响，如环境温度、湿度、空气流动性、液体粘度和导电率，产物重复性不高且难以制备出纤维直径在100 nm以下的电纺纤维。故目前还没有文献报道直径在100 nm以下，特别是10 nm以下多孔碳纤维的制备方法。

原子转移自由基聚合（ATRP）是近年兴起的一种可控的活性聚合方法，自由基是聚合反应的活性种，而原子转移是活性聚合物链增长的关键基元反应和生成自由基活性种的路径，简单的说这种可控的聚合反应包括：卤素原子从卤化物到金属络合物（盐）、再从金属卤化物转移到自由基的一种自由基反复循环的原子转移过程。ATRP的优点在于反应条件温和简便、不易受杂质影响、产物分子大小可控、分子量分布较窄、结构明确且分散性好。

本申请采用单个纤维素聚合物链为模板，经原子转移自由基聚合法（ATRP）制备聚合物分子刷，分子刷的长度可控，从而以其为前驱体可以获得直径在5-200 nm之间的多孔碳纤维。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种氮掺杂多孔纳米碳纤维的制备方法，制备的氮掺杂多孔纳米碳纤维尺寸均匀、长度和直径均可控，氮含量高，且分散性良好，以及由该方法制备得到的纳米多孔碳纤维在应用于储能器件领域中尤其是作为超级电容器的电极材料，展现了良好的电化学性能。

为了实现上述目的，本发明提供了一种氮掺杂多孔纳米碳纤维的制备方法，所述的氮掺杂多孔纳米碳纤维是采用纤维素聚丙烯腈分子刷为模板制备而成的，其包括以下步骤：

A、将纤维素溶解在离子液体中形成均匀的溶液；再加入卤化试剂后进行升温反应，将反应液反复沉淀提纯，得到卤化纤维素聚合物；