[发明专利]一种多孔中空碳纳米纤维的制备方法及包含其的超级电容器

说明书

本发明属于超级电容器电极材料制备领域，具体涉及一种多孔中空碳纳米纤维的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：S1、将聚硅氮烷(PSN)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)溶于有机溶剂中，混合均匀后，静电纺丝获得前驱体纤维，前驱体纤维干燥后进行固化处理得到固态前驱体纤维；S2、将固态前驱体纤维置于管式炉中，于惰性气体保护下高温热解，得SiCNO纤维；S3、将SiCNO纤维粉碎，浸渍于氢氧化钠和/或氢氧化钾的水溶液中，干燥后将混合物置于管式炉中，于惰性气体保护下加热处理，得多孔中空碳纳米纤维粗品，用水清洗直至pH呈中性，得多孔中空碳纳米纤维成品。

技术领域

本发明属于超级电容器电极材料制备领域，具体涉及一种多孔中空碳纳米纤维的制备方法及包含其的超级电容器。

背景技术

超级电容器因其高功率密度、快速充电速度和较长的循环寿命，被认为是最有前途的下一代电子和电动汽车储能装置之一。一般来说，超级电容器可分为两类：赝电容和双电层电容。其中，双电层电容具有一些独特的电学性能，已广泛应用于便携式电子设备。研究表明，双电层电容的电容主要来自于电极/电解质界面上静电电荷的积累。因此，双电层电容的电容性性能受到所用电极材料比表面积的高度控制。在众多电极材料中，具有特殊纳米结构的多孔碳质材料具有表面积大、化学稳定性好、活性位点多、电子导电性高等优点，被认为是最有前途的双电层超级电容器电极材料。

在过去的几十年里，人们设计了许多多孔碳电极材料来优化双电层超级电容器的性能，例如活性炭、碳气凝胶、纳米碳颗粒、纳米碳纤维、纳米碳管和碳球。在这些候选材料中，一维空心纳米结构多孔碳材料因其独特的结构优势而被推荐为极有前途的双电层超级电容器电极材料。其优势如下：1)多孔和/或空心结构提供了更多的活性位点，缩短了质量和电荷的传输路径；2)一维纳米结构可以为电子传递提供快速通道。目前多采用化学气相沉积法和模板法类制备多孔碳电极材料的一维中空纳米结构。化学气相沉积法是在一定温度下，气态的初始含碳化合物在催化剂、生长促进剂等作用下发生气相化学反应而形成固体物质沉积在基体上制得中空碳纤维，然而化学气相沉积法不好控制催化剂在基体分布均匀性，制得的中空碳纤维产量小，形貌不可控，且无法避免如炭黑等含碳副产物的产生；而传统的硬模板法成本高、产率低、操作繁琐，极大地阻碍了其在超级电容器中的实际应用。因此，仍需探索一条简便有效的途径来制备具有一维中空纳米结构的多孔碳电极材料，以获得高效的超级电容器性能。

发明内容

本发明针对现有技术中多孔中空纳米碳纤维制备方法的不足，提供一种多孔中空碳纳米纤维的制备方法，简单有效，获得的多孔中空碳纳米纤维不仅具有中空、多孔的特点，还具有高比表面积和大孔体积的优点，其作为超级电容器电极材料呈现出非常优异的电化学性能。

本发明的一个目的通过以下技术方案来实现：

一种多孔中空碳纳米纤维的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

S1、将聚硅氮烷(PSN)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)溶于有机溶剂中，混合均匀后，静电纺丝获得前驱体纤维，前驱体纤维干燥后进行固化处理得到固态前驱体纤维；

S2、将固态前驱体纤维置于管式炉中，于惰性气体保护下高温热解，得SiCNO纤维；

S3、将SiCNO纤维粉碎，浸渍于氢氧化钠和/或氢氧化钾的水溶液中，干燥后将混合物置于管式炉中，于惰性气体保护下加热处理，得多孔中空碳纳米纤维粗品，用水清洗直至pH呈中性，得多孔中空碳纳米纤维成品。

本发明先将PSN/PVP乳液静电纺丝获得前驱体纤维，干燥并固化后高温热解，原料高温热解形成无定形SiCNO中间相，然后将SiCNO纤维浸渍于碱溶液中一段时间，纤维浸泡于碱溶液前需要粉碎，以缩短浸泡时间，使碱物质有效进入纤维内部，干燥后混合物高温加热处理，在此过程中，碱物质的强腐蚀性可去除Si和N，并使纤维获得多孔中空结构。