[发明专利]一种纤维素基碳纳米纤维复合材料及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种纤维素基碳纳米纤维复合材料及其制备和应用，所述复合材料为：采用天然可取的纤维素为原料，经静电纺丝，低温氧化，高温碳化得到碳纳米纤维，然后一步水热法在纤维素基碳纳米纤维上负载NiCo₂O₄纳米片。本发明C‑CNFs/NiCo₂O₄复合电极材料具有自支撑、轻质、柔性等特点，在便携式电子产品、智能服装领域具有的广泛的应用前景。本发明操作简便，不需要复杂设备，适合规模化生产。

技术领域

本发明属于超级电容器电解材料及其制备和应用领域，特别涉及一种纤维素基碳纳米纤维复合材料及其制备和应用。

背景技术

随着现代工业的快速发展，高功率与高能量密度的电化学储能器件也变得越来越重要。与传统的电化学储能器件相比，超级电容器具有功率密度高、充放电时间快、循环寿命长、成本低等优点，被认为是极具发展前景的储能器件。

碳纳米纤维(CNFs)因其稳定的物理化学特性、高的表面积和良好的导电性，被广泛用于超级电容器的电极材料。而静电纺丝是制备碳纳米纤维一种常用的方法，通常将有机前驱体进行预氧化，碳化制备碳纳米纤维。大多数碳纳米纤维都是由聚丙烯腈(PAN)前驱体制备得到的，因为其具有良好的机械性能和高得率。但是，PAN是一种昂贵的原料，主要来源于石油，其生产成本高且成本随着原油价格的波动而不断变化，从而导致碳纤维生产成本不断变化。因此需要寻找一种廉价的天然可取的前驱体来制备CNFs。

纤维素及其衍生物是一种有前景的碳纤维前驱体。因为纤维素具有生物降解性，可再生性和可持续性等环保特性，生产成本低，是制备碳纤维的一种廉价环保材料。从丰富的可再生天然生物质中提取制备的纤维素基纳米纤维(C-CNFs)，由于其具有轻质柔性，高弹性模量和低热膨胀，更高的比表面积，理论上更适用于电极材料。但纤维素因其结晶度高且由于源自氢键和刚性骨架结构的强的分子间和分子内的相互作用，使得纤维素不溶于一般的溶剂，因此有关静电纺丝纤维素的报道较少，大多数主要是以纤维素衍生物为基础然后脱乙酰化制备纤维素纳米纤维膜。目前国内关于静电纺丝纤维素制备碳纳米纤维的相关报道相对较少，中国专利CN107630257A采用静电纺丝的方法，以二甲基乙酰胺/氯化锂为混合溶液，制备出纤维素纳米纤维，没有进一步做碳化处理制备纤维素基碳纳米纤维；中国专利CN104404635B以丙酮/二甲基乙酰胺/水为混合溶剂，醋酸纤维素为原料，通过静电纺丝的方法，制备出纤维素纳米纤维，该发明采用的原料为纤维素衍生物而不是纯的纤维素，且未涉及碳化处理制备碳纳米纤维；中国专利CN109440228A公开了采用纤维素为原料，通过静电纺丝的方法制备碳纳米纤维，但是在静电纺丝之前首先是对纤维素进行改性制备乙酰化改性纤维素，并不是直接溶解纯的纤维素进行静电纺丝。综上所述，本发明采用三氟乙酸为溶剂，直接通过静电纺丝纯纤维素，然后经过预氧化碳化处理制备碳纳米纤维，设备简单、易于操作，可规模化生产。