CN107068234B - 一种杂原子掺杂柔性织物基碳电极材料及其制备和应用 - Google Patents

一种杂原子掺杂柔性织物基碳电极材料及其制备和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种杂原子掺杂柔性织物基碳电极材料及其制备和应用，电极材料为三维网络结构的柔性自支撑碳电极材料。制备：将织物浸渍在碱溶液中，振荡，洗涤，烘干至恒重，得到处理后的织物；将处理后的织物浸渍在染液中进行染色，洗涤，晾干，然后碳化，冷却至室温，即得。本发明的制备方法将传统的染色工艺与超级电容器碳电极的制备相结合，通过简单易行的方法在织物基碳材料中引入杂原子，且所用原料丰富，价格低廉；本发明制备的电极材料具有柔性三维导电网络结构和优良的电化学性能，在便携式电子产品及智能纺织品领域将具有良好的应用前景。

Description

一种杂原子掺杂柔性织物基碳电极材料及其制备和应用
技术领域
本发明属于电极材料及其制备和应用领域，特别涉及一种杂原子掺杂柔性织物基碳电极材料及其制备和应用。
背景技术
随着我国经济的发展以及人口的增长，对于能源的消耗量日益增多，传统的煤、石油等不可再生的能量资源日益枯竭，同时这些能源在利用过程中又会产生环境污染等问题，这使得环境问题和能源问题日益突出。因此寻求可再生的清洁能源对于减少环境污染，促进人类的可持续发展具有十分重要的意义。
超级电容器由于具有能量密度高、循环寿命长、稳定性好等性能，作为一种新型的电能存储器件受到社会的广泛关注。碳材料因具有较高的比表面积而被广泛的作为一种双电层电极材料，但是其电化学性能较差。
对碳材料进行杂原子的掺杂可以改善碳材料的亲疏水性，增强电极材料的浸润性，并且有利于增强电解液离子在材料微孔中的快速运输，从而提高碳电极材料电化学性能。例如Lu等人，以三聚氰胺为碳源，在预氧化前用氨气处理，制备了氮含量丰富的多孔碳材料(Adv Funct Mater,2009,19(11):1800)。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种杂原子掺杂柔性织物基碳电极材料及其制备和应用，是一种新型杂原子掺杂三维网络结构的柔性自支撑碳电极材料。本发明以传统的纺织品为碳电极材料的源材，原料来源广，且成本低廉；同时将其与传统染色工艺相结合，通过染料在纤维内部均匀地分散和键合作用，不经过任何活化过程，简便得到杂原子掺杂的柔性织物基碳电极材料，且所制得的织物具有良好导电性、柔韧性和优异的电化学性能，应用前景广阔。
本发明的一种杂原子掺杂柔性织物基碳电极材料，所述电极材料为三维网络结构的柔性自支撑碳电极材料。
本发明的一种杂原子掺杂柔性织物基碳电极材料的制备方法，包括：
(1)将织物浸渍在碱溶液中，振荡，进行预处理，去除表面的杂质，洗涤，然后在烘干至恒重，得到处理后的织物，备用；
(2)将处理后的织物浸渍在染液中进行染色，皂洗(皂片2g/L，纯碱2g/L，95℃，10min，浴比1:30)，晾干，然后碳化，冷却至室温，即得杂原子掺杂柔性织物基碳电极材料。
所述步骤(1)中振荡为80-95℃下恒温振荡1-2h。
所述步骤(1)中洗涤为用去离子水洗涤至中性。
所述步骤(1)中织物为纯棉织物、麻织物、蚕丝织物、羊毛织物、再生纤维素织物、纤维混纺织物中的一种。
所述步骤(2)中染料为活性染料、直接染料、还原染料、偶氮染料、硫化染料中的一种或几种。
步骤(2)中染色为在振荡染色机中进行染色。
所述步骤(2)中织物：染料用量为1％-10％(o.w.f.)。
所述步骤(2)中碳化，冷却至室温具体为：从25℃开始以2℃/min的速率升温至800℃，然后恒温1小时，期间始终通入氮气，然后以5℃/min的速率降至25℃。
所述步骤(2)中碳化在管式炉中进行。
本发明的一种杂原子掺杂柔性织物基碳电极材料的应用，在便携式电子产品及智能纺织品中的应用。
本发明利用传统染色的方法将所制得的织物直接碳化制得了杂原子掺杂的柔性织物基碳电极材料。该方法简单易行，对原料的要求低，成本低；且所制得的织物具有轻柔、导电、超亲水等优点，应用前景广阔。
本发明以传统纤维织物为原料，通过传统染色工艺然后高温碳化制备杂原子(氧、氮、硫等)掺杂的柔性织物基电极的方法。
有益效果
(1)本发明制备的超级电容器的电极材料在中性电解质中具有良好的比电容和充放电性能，在10％(o.w.f.)的染液中染色时(是10％)，所制得的杂原子掺杂柔性电极材料，在1mol/L的Na2SO4溶液中，扫速为2mV/s时，比电容达到240F/g；
(2)本发明制备的电极材料具有织物三维连通的导电网络结构，可单独用作柔性自支撑电极材料；
(3)本发明的制备方法简单易行，成本低廉，使用的织物可为废弃织物，不仅减少了环境污染，而且还避免了能源的浪费。
附图说明
图1为实施例1的10％(o.w.f.)的纯棉染色织物碳化电极的电化学性能(a)不同扫描速率下的循环伏安曲线；(b)不同电流密度下的恒电流充放电曲线；(c)交流阻抗图谱；
图2为实施例1的10％(o.w.f.)的纯棉染色织物碳化电极EDS图谱；(a)C元素含量分布；(b)O元素含量分布；(c)N元素含量分布；(d)元素总谱图；标尺大小为4μm；
图3为实施例1的10％(o.w.f.)纯棉染色织物碳化电极的吸附等温线(a)及及孔径分布图(b)；
图4为实施例1的10％(o.w.f.)纯棉染色织物碳化电极的XRD。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
本实施例采用活性染料上染纯棉织物，再通过碳化工艺制备碳化纯棉织物电极。
(1)将1g纯棉织物放在浓度为15g/L的氢氧化钠溶液中，95℃下恒温振荡1h，用去离子水清洗至中性，60℃下烘干至恒重。
(2)将步骤(1)中的织物加入到10％(o.w.f.)的染液中(是指染料相对于织物的重量即为o.w.f.)，浴比为1:50，60℃染15min后加入食盐，再60℃续染15min，然后以2℃/min的速率升温至90℃后加入纯碱，在90℃固色30min，染色完毕后降温冷却，取出试样，用冷水洗、皂洗(皂片2g/L，纯碱2g/L，95℃，10min，浴比1:30)、水洗、烘干。
(3)将步骤(2)中的织物用去离子水清洗干净，然后晾干。
(4)经过处理的织物放于石英瓷舟中，放在管式炉石英管的中心位置，全程通入高纯氮气，然后按设定温度进行高温碳化。设置程序为：升温速率2℃/min，碳化温度800-900℃，保温时间60min，然后以5℃/min的速率降至25℃。
本实施例碳电极材料检测结果请见附图：
图1为实施例1纯棉染色织物碳化电极的电化学性能。测试中采用三电极检测方法，铂片电极和银/氯化银电极分别为对电极和参比电极，电解液为1mol/L Na2SO4溶液。由图1(a)可以算出工作电极在不同扫速下的比电容，如表(1)所示：
图2为实施例1纯棉染色织物碳化电极EDS图谱。图中(a)、(b)、(c)分别表示C、O、N元素的含量分布，(d)为元素分布的总谱图，从图中可以看出在纤维的表面均匀的分布着C、O、N元素，说明通过染色的方法可以获得均一的元素掺杂。这些杂元素的掺杂，在织物基碳电极材料中引入了赝电容性能，从而提高了碳化织物的电化学性能。
图3为实施例1纯棉染色织物碳化电极的吸附等温线及孔径分布图。由图可知，制备的碳电极材料具有微孔、介孔尺度，研究表明，碳极材料具有分级微孔、介孔尺寸有利于电解质的有效传递。此外，材料的多孔性有利于提供其柔韧性能。
图4为实施例1纯棉染色织物碳化电极的XRD谱图。由图可知，衍射角2θ在22o和42o处分别出现了两个衍射峰，分别代表碳的002晶面和101晶面，表明所制备的碳电极材料具有较好的石墨化程度。
此外，实施例1纯棉染色织物碳化电极的导电性良好，电阻为33.42Ω/sq，该材料优良的导电性大大提高其电化学性能。
实施例2
本实例采用酸性染料上染蚕丝织物，再通过碳化工艺制备碳化丝织物电极。
(1)将1g蚕丝织物加入到弱酸红2％(o.w.f.)，硫酸铵10％(o.w.f.)，硫酸钠10％(o.w.f.)的染液中，浴比为1:100，根据浴比补足所需水量，染浴配置完毕后，将已经在水中浸润的蚕丝织物挤干后投入到染浴中开始染色，在不断搅拌情况下，60℃下入染，然后以2℃/min的速度逐渐升温至90℃，保温染色60min，染色完毕后取出试样，用冷水洗、水洗、烘干。
(3)将步骤(2)中的织物用去离子水清洗干净，然后晾干。
(4)经过处理的织物放于石英瓷舟中，放在管式炉石英管的中心位置，全程通入高纯氮气，然后按设定温度进行高温碳化。设置程序为：升温速率2℃/min，碳化温度800-900℃，保温时间60min，然后以5℃/min的速率降至25℃。

Claims (9)

1.一种杂原子掺杂柔性织物基碳电极材料，其特征在于：所述电极材料为三维网络结构的柔性自支撑碳电极材料；其中电极材料由下列方法制备：
(1)将织物浸渍在碱溶液中，振荡，洗涤，烘干至恒重，得到处理后的织物；
(2)将处理后的织物浸渍在染液中进行染色，洗涤，晾干，然后碳化，冷却至室温，即得杂原子掺杂柔性织物基碳电极材料；其中洗涤为皂洗或水洗。
2.根据权利要求1所述的一种杂原子掺杂柔性织物基碳电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中振荡为80-95℃下恒温振荡1-2h。
3.根据权利要求1所述的一种杂原子掺杂柔性织物基碳电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中洗涤为用去离子水洗涤至中性。
4.根据权利要求1所述的一种杂原子掺杂柔性织物基碳电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中织物为纯棉织物、麻织物、蚕丝织物、羊毛织物、再生纤维素织物、纤维混纺织物中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种杂原子掺杂柔性织物基碳电极材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中染料为活性染料、直接染料、还原染料、偶氮染料、硫化染料、酸性染料弱酸红中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的一种杂原子掺杂柔性织物基碳电极材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中染液浓度＝1％-10％(o.w.f.)。
7.根据权利要求1所述的一种杂原子掺杂柔性织物基碳电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中碳化，冷却至室温具体为：从25℃开始以2℃/min的速率升温至800℃，然后恒温1小时，期间始终通入氮气，然后以5℃/min的速率降至25℃。
8.根据权利要求1所述的一种杂原子掺杂柔性织物基碳电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中碳化在管式炉中进行。
9.一种如权利要求1所述的杂原子掺杂柔性织物基碳电极材料的应用，其特征在于：在便携式电子产品及智能纺织品中的应用。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110715757A (zh) * 2019-11-05 2020-01-21 中国计量大学 一种基于碳化棉织物薄膜电极的电容式压力传感器
CN115787144A (zh) * 2022-12-14 2023-03-14 江苏科力特环保科技有限公司 一种杂原子掺杂型活性炭纤维的高通量制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07216690A (ja) * 1994-01-25 1995-08-15 Toray Ind Inc 電導材用連結パイル布帛
CN106044754A (zh) * 2016-05-31 2016-10-26 中国科学院山西煤炭化学研究所 一种杂原子掺杂石墨烯多级孔碳材料的制备方法
CN106169380A (zh) * 2016-07-26 2016-11-30 东华大学 一种柔性自支撑碳电极材料的制备方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013147765A (ja) * 2012-01-18 2013-08-01 Toyota Boshoku Corp 布帛構造

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07216690A (ja) * 1994-01-25 1995-08-15 Toray Ind Inc 電導材用連結パイル布帛
CN106044754A (zh) * 2016-05-31 2016-10-26 中国科学院山西煤炭化学研究所 一种杂原子掺杂石墨烯多级孔碳材料的制备方法
CN106169380A (zh) * 2016-07-26 2016-11-30 东华大学 一种柔性自支撑碳电极材料的制备方法

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