[发明专利]一种纺锤形碳纳米管纤维及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纺锤形碳纳米管纤维及其制备方法，属于碳纳米管纤维制备的技术领域。其中制备方法包括：提供一维的有捻碳纳米管纤维，将其贯穿液‑气的两相界面；采用电化学还原方法向碳纳米管纤维上施加负电压，使得液体电解质中的氢离子被还原为氢气气泡；以及在液‑气界面的碳纳米管纤维，高效的析氢反应产生大量氢气气泡用以分离紧密排列的碳纳米管，从而使得局部纤维膨胀为纺锤形结构。本发明通过液‑气界面的快速析氢反应产生大量气泡，分离成纺的碳纳米管纤维，所得的纺锤形碳纳米管纤维具有丰富的三维网络结构、高表面积和至少两个数量级扩增的体积，既能发挥出埋藏碳纳米管的面积优势，同时也保持良好的化学、力学、电学和热电性能。

技术领域

本发明涉及一种纺锤形碳纳米管纤维及其制备方法，属于碳纳米管纤维制备的技术领域。

背景技术

碳纳米管具有良好的电导性、导热性、高抗拉强度、韧性大，是纳米技术领域中的一种重要材料。碳纳米管纤维是碳纳米管的宏观集合体，其中纳米管紧密排列，因此具有超高的机械强度和导电性。碳纳米管纤维呈现紧密的一维圆柱形结构，具有小尺寸、变形抵抗的特点，被广泛用作穿戴设备领域中的柔性导电材料，例如超级电容器或生化传感器中的电极。但是在实际使用中，以碳纳米管纤维作为电极材料，反应电解液只能接触到圆柱形表面的碳纳米管而无法利用内部的碳纳米管纤维，从而降低了电化学电容的能量密度或者生化传感器的灵敏度。

现有技术中已经研究出一些提高碳纳米管纤维比表面积的方法。例如，使用其他多孔材料与碳纳米管合成混合纤维。或者，制备“芯-壳”结构，以碳纳米管纤维为内芯，以沉积的多孔功能材料作为外壳，实现电极表面积的增加。或者，在碳纳米管纤维上构建两级三维结构，首先在碳纳米管纤维表层垂直生长第一级纳米材料，再在第一级纳米材料上垂直生长第二层纳米材料，从而提高复合电极的比表面积。

但是，这些技术并未从本质上开发出碳纳米管纤维内部埋藏的碳纳米管，所构建的多级三维结构或者功能层降低了碳纳米管纤维对变形扭曲的机械稳定性，活性材料的负载阻碍了电解液离子的扩散，增加电极内阻，并且技术步骤繁杂、耗时长、材料成本高。因此，如何开发出一种独立碳纳米管被高效利用的碳纳米管纤维成为了碳纳米管纤维在电化学领域中应用的关键技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纺锤形碳纳米管纤维及其制备方法，以克服现有碳纳米管纤维中独立碳纳米管利用率的不足。

本发明所采用的具体技术方案如下：

第一方面，一种纺锤形碳纳米管纤维的制备方法，具体如下：

基于电化学系统，以一维碳纳米管纤维作为工作电极且贯穿液-气两相界面，向工作电极施加负电压，使电解液中的氢离子被还原为氢气并产生气泡；在该过程中，位于液-气界面处的碳纳米管纤维发生氢离子还原反应，产物氢气气泡的溢出使液-气界面产生高效的析氢反应，在液-气界面处大量氢气气泡的溢出使得碳纳米管纤维内部缠绕或者紧密排列的碳纳米管分离，从而获得局部膨胀的碳纳米管纤维，得到纺锤形碳纳米管纤维。

作为优选，所述电化学系统为两电极系统或三电极系统。

作为优选，所述一维碳纳米管纤维竖直放入电解液中，且至少1/2部分浸入电解液。

作为优选，所述电解液为盐酸、硫酸、高锰酸或高氯酸中的至少一种。

进一步的，电解液优选采用浓度为1M的硫酸溶液。

作为优选，制备过程中施加的电压为-1V～-10V。

进一步的，制备过程中施加的电压优选为-2V～-7V。

作为优选，制备过程中施加电压的持续时间1min。

作为优选，所述一维碳纳米管纤维的一端用导电银浆与无漆包线的铜线连接，进而连接电源负极。

作为优选，所述一维碳纳米管纤维的直径为60μm。