[发明专利]一种多级孔碳化钛/碳纳米管复合纤维的制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种多级孔碳化钛/碳纳米管复合纤维的制备方法，包括以下步骤：S1，制备具孔碳化钛粉末；S2，制备PMMA微球。本发明通过在碳纳米管纤维中加入具孔型碳化钛片层材料，并通过PMMA纳米微球硬模板法，制备具有微孔‑介孔‑大孔结构的多级孔隙复合纤维，从而解决碳纳米管纤维内部过度堆叠的问题，并提高纤维电极材料的能量密度，本发明除了在结构上构建了微孔‑介孔‑大孔的多级孔隙结构，大幅度提升了材料的比表面积和开放结构比例，同时为聚合物单体溶液的向内扩散提供了路径，通过原位生长法在大孔内部定向生长低维导电聚合物，除了能给予孔隙结构支撑性，亦能增加孔隙内部的电化学反应位点提高纤维整体能量密度。

技术领域

本发明属于功能纤维材料技术开发与应用领域，涉及一种多级孔碳化钛/碳纳米管复合纤维的制备方法和应用，本发明具体涉及具孔型Ti3C2Tx片层材料的制备，利用湿法纺丝技术、硬模板法连续制备多级孔隙导电纤维，以及在此基础上利用原位聚合在孔隙中生长低维聚苯胺的方法，能够将制备的复合纤维应用在柔性电极材料领域。

背景技术

近年来，随着智能可穿戴电子设备的不断涌现，柔性储能技术作为关键支撑技术逐渐成为当前智能可穿戴领域的热点。智能可穿戴电子设备需要柔性储能器件不仅能够弯曲，还需具备轻质高强和封装性好等特点。目前，柔性超级电容器的电极主要以柔性基底电极涂片、膜材料等形式实现，随着技术的不断进步，从材料的结构设计到储能性能都得到了大幅度优化与提升。然而这些材料在可穿戴设备中集成度较差，封装后的耐久性和机械性能仍需提高。近年来，随着材料科学及纤维成型技术的快速发展，国内外开始将目光转向具有高性能、集成性好的柔性纤维电极材料。

其中，基于碳纳米管的纤维电极材料，具有轻质高强以及相比于赝电容材料更高的电导率，更优秀的倍率性能以及更好的循环稳定性等特点。然而，基于碳纳米管纤维的电极材料由于纤维内部组装密度大，活性物质利用率低，集成后总体能量密度仍相对较低，限制了其实际应用。目前，主要通过在一维碳纳米管中引入其他维度的碳材料构建三维碳基纤维材料，能有效阻止碳纳米管在纤维中的积聚，保持其高比表面积和高导电性能；另一方面，引入纳米级的赝电容成分，在纤维内部增加电化学活性物质的负载率，碳纳米管网络为赝电容反应提供电子和电解质离子传递通道，从而提高重复充放电过程中电化学稳定性。

近几年来，一种具有与石墨烯类似的二维片层形态的导电材料逐渐受到关注，具有这种结构的过渡金属碳化物或者氮化物被称为MXene材料，MXene 也因其优秀的导电性、超高的体积比电容、简易的制备方法，被广泛应用于储能领域，但由于纯MXene材料具有片层小，易氧化团聚等特点，主要将其与其他材料复合或通过特定加工方式来进行纺丝。

除了选择合适的纤维电极材料，在纤维中构筑多级孔隙结构可以使材料具有更大的比表面积和更多的电化学反应活性位点，也为离子的快速扩散提供有效的途径。构造多级孔隙结构，利用大孔、介孔和微孔的协同优势已成为突破超级电容器储能性瓶颈最为重要的方法之一，在膜、气凝胶、块体材料等领域已被广泛应用，但多级孔隙结构的构筑在纤维基电极材料中的技术仍然不足。此外，在实际应用条件下，大孔径结构的塌缩对于纤维电极材料的影响尚不明确，通过在孔隙中设计支撑结构能较大程度上增加其稳定性。而低维导电聚合物具有很好的取向性和结晶度，通过原位生长法在孔隙内部定向生长低维导电聚合物，除了能给予孔隙结构支撑性，亦能增加孔隙内部的电化学反应位点提高纤维整体能量密度。因此，当前有必要提供一种多级孔碳化钛/碳纳米管复合纤维的制备方法，同时引入低维导电聚合物体系，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有连续型碳纳米管纤维存在的不足，提供了一种多级孔碳化钛/碳纳米管复合纤维的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种多级孔碳化钛/碳纳米管复合纤维的制备方法，包括以下步骤：