[发明专利]一种柔性自支撑氮掺杂碳纤维复合材料的制备方法及应用

权利要求书

1.一种柔性自支撑氮掺杂碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：配制多巴胺/聚丙烯腈复合纺丝液：将聚丙烯腈溶于N,N-二甲基甲酰胺中，然后加入多巴胺，配制成纺丝液后搅拌1h，得到均一、透明的淡黄色纺丝液即为多巴胺/聚丙烯腈复合纺丝液；

步骤二：制备前驱体：首先设置静电纺丝工艺参数，调节注射器针头到接收辊筒之间的接收距离，调节纺丝机内部环境湿度和温度后，在注射器中装入纺丝液，设置静电纺丝电压、微量泵推送速度和接收辊筒转速，得到多巴胺/聚丙烯腈复合纤维膜；

将上述多巴胺/聚丙烯腈复合纤维膜在烘箱中干燥，再浸渍在Tris-HCl溶液中，室温振荡后反复用水清洗，去除多余Tris-HCl溶液，再将纤维膜平铺在聚四氟板上烘干，得到前驱体聚多巴胺/聚丙烯腈复合纤维膜；

步骤三：将所述前驱体预氧化、碳化、退火，得到柔性自支撑氮掺杂碳纤维复合材料：

将步骤二制得的前驱体悬挂在马弗炉中，空气气氛预氧化，得到预氧化纤维膜；

将预氧化纤维膜平放在管式炉腔体中，氩气或氮气气氛下碳化得到聚丙烯腈基碳纳米纤维；

将聚丙烯腈基碳纳米纤维放置在马弗炉中，空气气氛退火得到柔性自支撑氮掺杂碳纤维复合材料。

2.根据权利要求1所述的柔性自支撑氮掺杂碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二的制备前驱体方法还包括：首先设置静电纺丝工艺参数，调节注射器针头到接收辊筒之间的接收距离，调节纺丝机内部环境湿度和温度后，在注射器中装入纺丝液，设置静电纺丝电压、微量泵推送速度和接收辊筒转速，得到多巴胺/聚丙烯腈复合纤维膜；

将上述多巴胺/聚丙烯腈复合纤维膜在烘箱中干燥，再浸渍在Tris-HCl溶液中，室温振荡后反复用水清洗，去除多余Tris-HCl溶液，得到聚多巴胺/聚丙烯腈复合纤维膜；

将聚多巴胺/聚丙烯腈复合纤维膜在氧化石墨烯分散液中浸渍，然后取出反复用水清洗去除表面多余氧化石墨烯，再将纤维膜平铺在聚四氟板上烘干，最后获得前驱体氧化石墨烯-聚多巴胺/聚丙烯腈复合纤维膜。

3.根据权利要求1或2所述的柔性自支撑氮掺杂碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述多巴胺与聚丙烯腈质量比为1：(2-50)，所述多巴胺/聚丙烯腈复合纺丝液的质量分数为6-10wt％。

4.根据权利要求1或2所述的柔性自支撑氮掺杂碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述注射器针头到接收辊筒之间的接收距离为10-20cm，纺丝机内部环境湿度为20-35％，温度为20-40℃，注射器中装入的纺丝液为6-8ml，静电纺丝电压为15～20kV，微量泵推送速度为0.5-2.0ml/h，接收辊筒转速为50-1000rpm。

5.根据权利要求1或2所述的柔性自支撑氮掺杂碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述在烘箱中干燥温度为60℃，干燥时间为4-6h，所述Tris-HCl溶液浓度为50mM，室温震荡时间为12-48h，在所述聚四氟板上烘干温度为60℃，烘干时间为4-6h。

6.根据权利要求2所述的柔性自支撑氮掺杂碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述氧化石墨烯分散液浓度为1-20mg/ml。

7.根据权利要求1或2所述的柔性自支撑氮掺杂碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述预氧化温度为250-300℃，预氧化时间为1-4h，升温速率为1℃/min。

8.根据权利要求1或2所述的柔性自支撑氮掺杂碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述碳化温度为600～1000℃，碳化时间为1-4h，升温速率为3-5℃/min。

9.根据权利要求1或2所述的柔性自支撑氮掺杂碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述退火温度为250-300℃，退火时间为1-4h，升温速率为1℃/min。

10.一种柔性自支撑氮掺杂碳纤维复合材料的应用，利用权利要求1至9任意一项的制备方法，其特征在于，将柔性自支撑氮掺杂碳纤维复合材料作为电极材料制成正负极板，利用隔离膜隔开，浸渍在电解质中15min，干燥5min，重复浸渍和干燥过程3次，得到柔性自支撑氮掺杂超级电容器，所述电解质为KOH/PVA，Na₂SO₄/PVA，或者离子液体/PVP。