[发明专利]一种活性多孔碳框架/石墨烯复合纤维及其制备方法

说明书

本发明涉及一种活性多孔碳框架/石墨烯复合纤维及其制备方法，通过对金属有机框架MOFs碳化、酸处理及活化处理得到活性多孔碳框架，再与氧化石墨烯复合并还原而得。本发明制备方法操作简单、活性多孔碳框架分布均匀、形貌可控，实现了结构规整的多面体多孔碳框架对石墨烯的插层设计，兼具了多孔碳框架与石墨烯的优异性能，极大地提升了一维电极材料的力学性能，且作为超级电容器的电极材料电化学性能优异，具有很好的应用前景。

技术领域

本发明属于超级电容器材料领域，特别涉及一种活性多孔碳框架/石墨烯复合纤维及其制备方法。

背景技术

随着便携式电子设备的快速发展，超级电容器由于其较高的循环寿命和快速的充放电能力已经成为热门的储能设备。与传统的二维超级电容器相比，纤维状超级电容器，具有如下优点：纤维状超级电容器的直径从几微米到几十微米，质量轻且体积小；纤维状超级电容器具有良好的加工性，可制备成各个形状用于不同的储能位置；具有可编织性，可编制到智能织物中。随着人们对储能设备要求的不断增长，现有的一维电极材料的机械性能与电化学性能很难同时满足需求。

金属-有机框架(MOFs)，也叫做金属有机配位聚合物，是有机配体与金属离子通道自组装而形成的具有周期性网络结构的晶体材料。其具有结构和功能多样化、比表面积大、孔隙体积大已经孔径可调等特点，可作为多孔碳材料的碳源。对其进一步进行酸处理和活化处理，能很好的解决多面体多孔碳框架的分散性问题。

石墨烯由于其具有高的理论比表面积、高导电性，是理想的电极材料。将活化处理后的多孔碳材料与氧化石墨烯复合，由于其均具有含氧基团，得到的复合电极材料能够很好的同时实现高机械性能和电化学性能。由湿法纺丝制备得到的活性多孔碳框架/石墨烯纤维兼具各个组分的结构优势，不仅具有储能特性，又具有高柔性，可以编织到不同形状的纺织品中，在能源、环境、柔性器件等领域具有很好的应用前景。

专利CN108360089A通过氧化石墨烯与金属有机框架复合与煅烧得到高电化学性能的复合纤维应用于锂离子电池，但是其氧化石墨烯与金属有机框架复合纤维经过煅烧实际得到的是金属氧化物多孔框架与石墨烯复合纤维，其中金属氧化物对其性能有重要影响。

目前虽然有不少关于金属有机框架与石墨烯的研究，但是材料普遍力学强度及柔韧性不高。专利CN108998892A制备得到的壳聚糖-氧化石墨烯/聚丙烯腈复合膜的抗拉强度仅有13.9±1.6MPa。专利CN109056118A通过湿法纺丝制备得到的石墨烯纤维的拉伸强度为23-60MPa。专利109316978A在线性高分子分布MOFs制得混合基质膜，其抗拉强度最高仅能达到60MPa左右。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种活性多孔碳框架/石墨烯复合纤维及其制备方法，克服了现有技术中一维超级电容器材料力学强度及柔韧性不高等问题。

本发明提供了一种活性多孔碳框架/石墨烯复合纤维，通过对金属有机框架MOFs碳化、酸处理及活化处理得到活性多孔碳框架，再与氧化石墨烯复合并还原而得。

所述金属有机框架MOFs为Zn-MOFs、Co-MOFs、Ni-MOFs中的一种或几种。

所述复合方式为单片层氧化石墨烯包覆多面体活性多孔碳框架或多面体活性多孔碳框架插层在片层氧化石墨烯中间。

本发明提供了一种活性多孔碳框架/石墨烯复合纤维的制备方法，包括：

(1)对金属有机框架MOFs碳化、酸处理及活化处理，得到活性多孔碳框架；

(2将氧化石墨烯水溶液与活化多孔碳框架置于密闭环境下，搅拌均匀得到纺丝液，然后在凝固浴中湿法纺丝，最后还原，得到活性多孔碳框架/石墨烯复合纤维。