[发明专利]一种用于超级电容器电极的木质素基活性碳纤维制备方法

说明书

技术领域

本发明属于活性碳纤维的制备技术领域，涉及一种用于超级电容器电极的木质素基活性碳纤维制备方法。

背景技术

随着智能服装的出现和快速发展，开发与之相对应的柔性、轻质、高效超级电容器尤为迫切。其核心问题是研究和开发具有高能量密度和功率密度的纤维状电极。目前纤维状超级电容器的电极多采用一维碳纳米管和二维石墨烯来制备，生产成本高，同时难以规模化生产。而采用活性碳纤维则可有效降低纤维状超级电容器电极的生产成本。作为活性碳纤维的前驱体，木质素由于具有资源可再生、价格低廉、可熔融加工等优点而颇受关注。专利CN 106744793 A公布了一种碱木质素基超级电容器用多孔碳材料及其制备方法和应用，但所制备的碳材料为三维块状材料，很难进行编织，极大限制了其在智能服装中的应用。同时所得到的电极材料由于仅依靠比表面积来储存电荷，导致其能量密度较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于超级电容器电极的木质素基活性碳纤维制备方法，解决了目前木质素基活性碳纤维能量密度较低的问题。

本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：

步骤1：在海藻酸钠水溶液中加入纳米级二氧化锰，超声搅拌后加入氧化石墨烯，随后调整溶液pH值至10～11，加入纯化木质素，经减压旋蒸后得到杂化材料；将所得杂化材料加入到熔融纺丝机中在200～250℃下进行纺丝，得到杂化纤维；

步骤2：将步骤1所得杂化纤维置于高温炉中，以0.01～3℃/min的升温速率升至280～300℃，恒温1～6h；然后升温至1000～2000℃，进行碳化，时间为0.5～12h，得到用于超级电容器电极的碳纤维。

进一步，步骤1中的纯化木质素为羟基含量大于6mmol/g的木质素，其结构单元间的连接方式为β-β和β-1。

进一步，步骤1中的海藻酸钠的重均分子量低于8万，添加量为总质量的0.05～10％。

进一步，步骤1中的纳米二氧化锰的添加量为总质量的0.1～20％。

进一步，步骤1中的氧化石墨烯的添加量为总质量的0.1～10％。

进一步，步骤1中纺丝机的纺丝速度为100～6000m/min。

进一步，步骤2中的多孔碳纤维直径为5～200μm，为连续多级孔结构，孔径为1nm～3μm。

本发明的有益效果是提供的木质素基活性碳纤维电极具备生产成本低、能量密度高。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

以下实施例中所用的木质素为购自(Suzano Papel e Celulose S.A.)公司的硫酸盐木质素，采用陶瓷膜过滤设备进行纯化，纯化精度为5kDa。

实施例1：将0.5g纳米二氧化锰加入到盛有200ml质量分数为0.5wt.％的海藻酸钠水溶液中，超声分散30min(超声功率120W，超声频率40KHz)后加入1g氧化石墨烯，搅拌均匀。随后调整溶液pH值至11，加入97g纯化木质素。在80℃下采用旋转蒸发仪旋转蒸发后得到木质素/氧化石墨烯/海藻酸钠/二氧化锰杂化材料；将所得杂化材料加入到熔融纺丝机中在200～230℃下进行熔融纺丝，得到木质素/氧化石墨烯/海藻酸钠/二氧化锰杂化纤维，其中喷丝板规格为0.18mm×12f，纺丝速度为100m/min。将所得杂化纤维置于高温炉中，以0.01℃/min的升温速率升至280℃，恒温1h；然后升温至1000℃，进行碳化，时间为0.5h。降低温度至900℃，采用水蒸气(50RH％)进行活化，活化时间为30min。将所得活性碳纤维在氢氟酸中浸泡24h后即得到木质素基活性碳纤维。所得活性碳纤维具有多级孔结构，直径为60μm，拉伸强度为120MPa，比表面积为1300m²/g，介孔孔容为0.18cm³/g。