[发明专利]一种自支撑多孔碳纤维材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种自支撑多孔碳纤维材料及其制备方法和应用，属于电容去离子化技术领域。所述自支撑多孔碳纤维材料的制备方法包括以下步骤：步骤1，向聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮和有机溶剂的混合溶液中添加SnCl₂得到前体溶液，将前体溶液进行静电纺丝得到初生纳米纤维膜；步骤2，将所述初生纳米纤维膜依次进行预氧化、碳化、还原处理得到多孔Sn‑碳纳米纤维复合材料；步骤3，将所述多孔Sn‑碳纳米纤维复合材料在酸溶液中进行酸处理得到所述自支撑多孔碳纤维材料。本发明制备的自支撑多孔碳纤维材料，具有极大的比表面积、良好的机械性能和柔性，且兼具高的电容容量、循环使用寿命和优秀电导率。

技术领域

本发明涉及电容去离子化技术领域，特别是涉及一种自支撑多孔碳纤维材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着工业的发展，水污染特别是重金属离子(主要是铬、钒、铜、钴、镉、汞、砷、铅等)的污染越来越严重，成为全球性的环境问题。重金属离子在水生系统和生物体内的积累和生物吸附，会通过食物链积累，对人类造成更严重的安全隐患。从废水中去除和回收重金属是水处理技术的主要关注点之一。更严格的重金属离子排放指标迫使人们不断寻找高效且经济的去除金属离子的处理方法。到目前为止，人们提出了许多去除水体系中重金属离子的方法，如化学沉淀法、离子交换法、化学氧化还原法、反渗透法、电渗析法、超滤法等。但这些方法仍存在许多缺点，如效率低、成本高、需要专用设备、产生二次污泥等。

近年来，新兴的节能环保电容去离子化技术(CDI)在去除Pb、Cr、Cu、Ni、Cd等各种盐和重金属离子方面越来越受到关注。在电容去离子化技术中，可以通过一对高孔电极间的电吸附从水中提取重金属离子，并且这一过程是可逆的，可以使电极再生，在去除水体中重金属离子方面具有很好的应用前景。然而，当前在开发电容去离子化电极方面仍然存在重大挑战。主要有两个原因，其一是电容去离子化电极比表面积较小，导致双电层电容较低，严重限制了其对重金属离子的吸附能力。其二是大多数电容去离子化电极材料机械性能差，需要依附在集流体上，这也限制了其对重金属离子的吸附能力。因此，开发一种比表面积大、机械性能强的电容去离子化电极材料，是电容去离子化领域迫切需要解决的一个技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种自支撑多孔碳纤维材料及其制备方法和应用，以解决上述现有技术存在的问题，提高自支撑多孔碳纤维材料的比表面积和机械性能，使其能够作为电极材料更好的应用于电容去离子化领域。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明技术方案之一，一种自支撑多孔碳纤维材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，向聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮和有机溶剂的混合溶液中添加SnCl₂得到前体溶液，将前体溶液进行静电纺丝得到初生纳米纤维膜；

初生纳米纤维膜中是含有SnCl₂的；

步骤2，将所述初生纳米纤维膜依次进行预氧化、碳化、还原处理得到多孔Sn-碳纳米纤维复合材料(多孔Sn-CNF复合材料)；

对初生纳米纤维膜依次进行预氧化、碳化的目的一方面是为了获得较高的石墨化率形成碳纤维，另一方面是将碳纤维中的SnCl₂氧化为SnO₂；进行还原处理的目的是为了将碳纤维中的SnO₂尽数还原到碳纤维表面形成Sn纳米片，SnO₂从碳纤维中还原到碳纤维表面的过程会在碳纤维表面形成孔洞，增大碳纤维表面的比表面积；

步骤3，将所述多孔Sn-碳纳米纤维复合材料在酸溶液中进行酸处理得到所述自支撑多孔碳纤维材料；

对Sn-碳纳米纤维复合材料进行酸处理，一方面是为了去除碳纤维表面的Sn，获得无金属Sn的多孔碳纤维材料；另一方面是为了对碳纤维进行活化，进一步扩大碳纤维表面的孔洞容积，增大碳纤维的比表面积。