CN107604635A - 一种w18o49包覆碳纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种W₁₈O₄₉包覆碳纤维复合材料及其制备方法，包括在碳纤维表面采用微波辅助溶剂热法生长W₁₈O₄₉纳米材料，微波辅助溶剂热制备过程中无需任何模板和催化剂，工艺简单，产率高，且成本低廉，适合批量生产；在碳布上直接生长W₁₈O₄₉纳米材料，所制备的纳米复合材料形态均一、包覆紧密，可以作为光催化、电催化、太阳能电池、柔性传感器，场发射和锂离子电池负极材料。

Description

一种W18O49包覆碳纤维复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于纳米材料领域，涉及一种W₁₈O₄₉包覆碳纤维复合材料及其制备方法。

背景技术

随着科技的不断发展，电子产品和智能设备开始不断向微型化、轻量化方向发展，柔性电子产品已经应用到人们生活的各个领域，例如可穿戴电子设备、柔性显示器件。碳纤维因为具有很好的柔韧性，可以被纺织而成形成碳布，可以作为柔性电极广泛应用在各种电池、超级电容器等领域。W₁₈O₄₉是含有缺陷的氧化钨，是一种重要的半导体功能材料，W₁₈O₄₉纳米材料被广泛的用做太阳能电池、锂离子电池显示器件、敏感器件、光电器件、光催化材料，电催化材料等。将碳布与W₁₈O₄₉纳米材料进行复合构成W₁₈O₄₉包覆碳布复合材料，较单一材料相比，在光催化、锂电，超级电容器等方面都有显著的提高，因此通过调控W₁₈O₄₉纳米材料的生长可获得质量好且具包覆结构的纳米复合材料，在上述应用上具有重要意义。目前已经有科研工作者从事碳纤维与氧化钨复合材料的制备并取得了一定的成果，如中国专利CN106423144A公开了一种碳纤维@氧化钨纳米颗粒核壳复合结构及其制备方法，采用在真空炉中，在载气的作用下，先用高温加热浸泡过WO₃悬浊液的碳纤维，再在低温下，空气中退火得到复合材料，其制备过程相对繁琐，反应时间长，需要高温环境，得到的氧化钨为纳米晶颗粒，没有做到定向生长，限制了材料的性质和应用。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种W₁₈O₄₉包覆碳纤维复合材料及其制备方法，其过程简单，反应温度低，并且本发明制备的W₁₈O₄₉纳米材料形态学均一、整齐的生长在碳布表面，有利于提高材料的性质。

为解决上述问题，本发明采取的技术方案为：

一种W₁₈O₄₉包覆碳纤维复合材料，包括碳纤维和采用微波辅助溶剂热法包覆在碳纤维表面的W₁₈O₄₉纳米材料。

一种可能的形式，所述的碳纤维的呈现形式为碳布，碳布的型号为WOS1002。

一种W₁₈O₄₉包覆碳纤维复合材料的制备方法，采用微波辅助溶剂热法在碳纤维表面生长W₁₈O₄₉纳米材料。

具体的，采用微波辅助溶剂热法在碳纤维表面生长W₁₈O₄₉纳米材料包括：以含钨化合物的醇溶液为前躯体溶液，碳纤维作为反应源进行微波辅助溶剂热反应，微波功率为400W，反应温度为160～200℃，反应时间为5～60min。

或者，采用微波辅助溶剂热法在碳纤维表面生长W₁₈O₄₉纳米材料包括：以含钨化合物的醇溶液为前躯体溶液，碳布作为反应源进行微波辅助溶剂热反应，微波功率为400W，反应温度为160～200℃，反应时间为5～60min。

优选的，采用微波辅助溶剂热法在碳布表面生长W₁₈O₄₉纳米材料包括：以含钨化合物的醇溶液为生长溶液，碳布作为反应源进行微波辅助溶剂热反应，微波功率为400W，反应温度为160℃，反应时间为5min。

优选的，采用微波辅助溶剂热法在碳布表面生长W₁₈O₄₉纳米材料包括：以含钨化合物的醇溶液为生长溶液，碳布作为反应源进行微波辅助溶剂热反应，微波功率为400W，反应温度为180℃，反应时间为30min。

优选的，采用微波辅助溶剂热法在碳布表面生长W₁₈O₄₉纳米材料包括：以含钨化合物的醇溶液为生长溶液，碳布作为反应源进行微波辅助溶剂热反应，微波功率为400W，反应温度为200℃，反应时间为60min。

具体的，所述的含钨化合物为WCl₆，含钨化合物的醇溶液浓度为4g/L～12g/L。

更具体的，所述的含钨化合物的醇溶液为含钨化合物的乙醇溶液。

本发明的优点为：

(1)本发明制备的W₁₈O₄₉包覆碳纤维复合材料是在直径为10μm的碳纤维上生长W₁₈O₄₉纳米材料，W₁₈O₄₉纳米材料包覆碳纤维结构密度高、组成和形貌可控，制备之后可以直接使用、无需后期处理，从微观结构上，W₁₈O₄₉包覆碳纤维复合材料具有很大的比表面积，可以用做柔性传感器，W₁₈O₄₉包覆碳布复合材料因为碳材料的存在而使得电子可以迅速被传导，光生载流子复合几率降低，电子空穴对有效分离，从而增加了载流子的寿命和载流子浓度，使得W₁₈O₄₉包覆碳布复合材料具有优异的光催化性能。

(2)本发明在制备W₁₈O₄₉包覆碳纤维复合材料时，采用微波辅助溶剂热法在碳布上包覆生长W₁₈O₄₉纳米材料，微波辅助溶剂热反应过程中无需任何模板和催化剂，工艺简单，速度快、产率高，且成本低廉，适合批量生产；

(3)在碳布上直接包覆生长W₁₈O₄₉纳米材料，所制备的纳米复合材料形态均一、包覆紧密。

附图说明

图1为本发明中实施例1的XRD图谱；

图2为本发明中实施例2的XRD图谱；

图3为本发明中实施例3的XRD图谱；

图4为本发明中实施例1的SEM照片；

图5为本发明中实施例1的SEM照片；

图6为本发明中实施例2的SEM照片；

图7为本发明中实施例2的SEM照片；

图8为本发明中实施例3的SEM照片；

图9为本发明中实施例3的SEM照片；

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

本发明所制备的W₁₈O₄₉包覆碳纤维复合材料，采用简单微波辅助溶剂热无模板法直接在碳纤维上包覆生长W₁₈O₄₉纳米材料。

本发明的制备方法在所有的碳纤维的表面都能生长W₁₈O₄₉纳米材料，为了制备过程方便，碳纤维的直径均匀，本发明在研发过程中采用碳布作为碳纤维的呈现形式，所用的碳布(CarbonFiberCloth),即碳纤维布的简称，碳纤维的织物，由预氧化的聚丙烯腈纤维织物经炭化或碳纤维经纺织而成，又称为碳素纤维布、碳纤布、碳布、碳纤维织物、碳纤维带或碳纤维片材(预浸布)等。原则上所有的碳布都能实现本发明的方案，在本发明的实施例中使用的碳布为直接在Ce Tech Co.,Ltd公司购买，型号为WOS1002，组成碳布的单根碳纤维直径为10μm。

本发明主要采用微波辅助溶剂热法，通过控制反应体系中钨盐的浓度、反应温度、反应时间等因素获得了一种W₁₈O₄₉包覆碳纤维复合材料及制备该材料的方法，微波辅助溶剂热反应过程中无需任何模板和催化剂，工艺简单，产率高，且成本低廉，适合批量生产；碳纤维做为主干结构直接包覆生长W₁₈O₄₉纳米材料，所制备W₁₈O₄₉纳米材料形态均一，在碳纤维上包覆均匀。

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

将在Ce Tech Co.,Ltd公司购买的WOS1002型号碳布冲剪成直径为12mm的圆形基片，放入浓硝酸溶液中100℃下处理1h，再用去离子水清洗多次，烘干，放入TFM内衬的反应釜(反应釜容积为100ml)中备用。将0.12g(4g/L)的WCl₆加入到30ml无水乙醇中，进行充分搅拌，当WCl₆完全溶解后形成黄色透明前驱体溶液，将前驱体溶液移入含有碳布的反应釜中，将其置于400W的微波功率下，160℃反应5min，待反应结束后，将碳布取出，并由去离子水清洗多次，然后将碳布置于60℃下烘干，得到W₁₈O₄₉包覆碳纤维复合材料。

图1说明实施例一的产物W₁₈O₄₉/碳纤维复合材料，图4说明实施例一的产物W₁₈O₄₉纳米材料在整个碳纤维上包覆非常均匀，W₁₈O₄₉呈绒毛状，图5说明实施例一的产物为包覆结构。

实施例二：

将在Ce Tech Co.,Ltd公司购买的WOS1002型号碳布冲剪成直径为12mm的圆形基片，放入浓硝酸溶液中100℃下处理1h，再用去离子水清洗多次，烘干，放入TFM内衬的反应釜(反应釜容积为100ml)中备用。将0.24g(8g/L)的WCl₆加入到30ml无水乙醇中，进行充分搅拌，当WCl₆完全溶解后形成黄色透明前驱体溶液，将前驱体溶液移入含有碳布的反应釜中，将其置于400W的微波功率下，180℃反应30min，待反应结束后，将碳布取出，并由去离子水清洗多次，然后将碳布置于60℃下烘干，得到W₁₈O₄₉包覆碳纤维复合材料。

图2说明实施例二的产物W₁₈O₄₉/碳纤维复合材料，图6说明实施例二的产物W₁₈O₄₉纳米材料在整个碳纤维上包覆非常均匀，W₁₈O₄₉呈线状，图7说明实施例二的产物为包覆结构。

实施例三：

将在Ce Tech Co.,Ltd公司购买的WOS1002型号碳布冲剪成直径为12mm的圆形基片，放入浓硝酸溶液中100℃下处理1h，再用去离子水清洗多次，烘干，放入TFM内衬的反应釜(反应釜容积为100ml)中备用。将0.36g(12g/L)的WCl₆加入到30ml无水乙醇中，进行充分搅拌，当WCl₆完全溶解后形成黄色透明前驱体溶液，将前驱体溶液移入含有碳布的反应釜中，将其置于400W的微波功率下，200℃反应60min，待反应结束后，将碳布取出，并由去离子水清洗多次，然后将碳布置于60℃下烘干，得到W₁₈O₄₉包覆碳纤维复合材料。

图3说明实施例三的产物W₁₈O₄₉/碳纤维复合材料，图8说明实施例三的产物W₁₈O₄₉纳米材料在整个碳纤维上包覆非常均匀，W₁₈O₄₉呈片状，图9说明实施例三的产物为包覆结构。

综上所述，本发明涉及一种W₁₈O₄₉包覆碳纤维复合材料及其制备方法，所采用的微波辅助溶剂热法制备过程工艺简单，可控性强，产率高，成本低廉，适合批量生产。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种W₁₈O₄₉包覆碳纤维复合材料，其特征在于，包括碳纤维和采用微波辅助溶剂热法包覆在碳纤维表面的W₁₈O₄₉纳米材料。

2.如权利要求1所述的W₁₈O₄₉包覆碳纤维复合材料，其特征在于，所述的碳纤维的呈现形式为碳布，碳布的型号为WOS1002。

3.一种W₁₈O₄₉包覆碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，采用微波辅助溶剂热法在碳纤维表面生长W₁₈O₄₉纳米材料。

4.权利要求3所述的W₁₈O₄₉包覆碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，采用微波辅助溶剂热法在碳纤维表面生长W₁₈O₄₉纳米材料包括：以含钨化合物的醇溶液为前躯体溶液，碳纤维作为反应源进行微波辅助溶剂热反应，微波功率为400W，反应温度为160～200℃，反应时间为5～60min。

5.权利要求3所述的W₁₈O₄₉包覆碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，采用微波辅助溶剂热法在碳纤维表面生长W₁₈O₄₉纳米材料包括：以含钨化合物的醇溶液为前躯体溶液，碳布作为反应源进行微波辅助溶剂热反应，微波功率为400W，反应温度为160～200℃，反应时间为5～60min。

6.权利要求3所述的W₁₈O₄₉包覆碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，采用微波辅助溶剂热法在碳布表面生长W₁₈O₄₉纳米材料包括：以含钨化合物的醇溶液为生长溶液，碳布作为反应源进行微波辅助溶剂热反应，微波功率为400W，反应温度为160℃，反应时间为5min。

7.权利要求3所述的W₁₈O₄₉包覆碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，采用微波辅助溶剂热法在碳布表面生长W₁₈O₄₉纳米材料包括：以含钨化合物的醇溶液为生长溶液，碳布作为反应源进行微波辅助溶剂热反应，微波功率为400W，反应温度为180℃，反应时间为30min。

8.权利要求3所述的W₁₈O₄₉包覆碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，采用微波辅助溶剂热法在碳布表面生长W₁₈O₄₉纳米材料包括：以含钨化合物的醇溶液为生长溶液，碳布作为反应源进行微波辅助溶剂热反应，微波功率为400W，反应温度为200℃，反应时间为60min。

9.如权利要求4、5、6、7或8所述的W₁₈O₄₉包覆碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述的含钨化合物为WCl₆，含钨化合物的醇溶液浓度为4g/L～12g/L。

10.如权利要求4、5、6、7或8所述的W₁₈O₄₉包覆碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述的含钨化合物的醇溶液为含钨化合物的乙醇溶液。