CN111501133A

CN111501133A - 一种基于无机结构模板的碳纳米纤维及其制备方法

Info

Publication number: CN111501133A
Application number: CN202010470628.3A
Authority: CN
Inventors: 李峰波; 袁国卿
Original assignee: Institute of Chemistry CAS
Current assignee: Institute of Chemistry CAS
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2020-08-07
Anticipated expiration: 2040-05-28
Also published as: CN111501133B

Abstract

本发明涉及一种基于无机结构模板的碳纳米纤维及其制备方法，属于碳纳米纤维技术领域，解决了现有碳纳米纤维制备成本高且纳米纤维的排列取向混乱、碳纳米纤维制备过程中纤维直径与长度无法控制的技术问题。该制备方法包括：步骤1、对无机结构模板材料进行预处理；步骤2、利用含有交联剂与稠环芳烃混合物的四氢呋喃溶液对预处理无机结构模板进行浸渍与结构插层处理；步骤3、对获得的无机结构模板‑稠环芳烃混合物进行高温碳化处理得到碳化产物；步骤4、去除无机结构模板，制得碳纳米纤维。本发明采用无机结构模板，通过稠环芳烃结构的可控碳化形成连续碳纳米纤维结构，实现了低成本且过程可控的碳纳米纤维的制备。

Description

一种基于无机结构模板的碳纳米纤维及其制备方法

技术领域

本发明涉及碳纳米纤维技术领域，尤其涉及一种基于无机结构模板的碳纳米纤维及其制备方法。

背景技术

随着近年纳米科学与技术的快速发展，不断涌现性能优异各种形态的纳米材料，包括：纳米颗粒，纳米纤维，纳米棒，纳米线以及纳米片等。其中，富勒烯与碳纳米管的发现开启了纳米技术时代，石墨烯的重大发现将纳米碳材料的研究推上新的高潮。纳米碳材料类型不断拓展，其包括:石墨烯，富勒烯，碳纳米管，纳米金刚石，纳米颗粒，纳米纤维，纳米孔材料以及纳米复合材料。

碳纳米纤维是介于碳纳米管与碳纤维之间的一种新材料。碳纤维的尺寸在数十微米左右，碳纳米纤维的尺寸在数十至数百纳米之间；碳纳米纤维在内在结构上区别于碳纳米管。碳纳米纤维可以作为从分子材料过渡至宏观材料的关键物质形态，其具有优异的理化性能，广泛应用于多功能复合材料、超级电容电极材料、锂电池负极材料、金属纳米颗粒载体、骨组织支撑结构等领域。

在现有技术中制备碳纳米纤维有两种途径：1)催化气相沉积；2)静电纺丝-热处理。催化气相沉积主要采用高温下碳氢分子在催化剂上沉积生成碳纳米纤维，此过程生成的碳纳米纤维的长度过短，碳纳米纤维分散处理困难，无法实现经济高效的规模制备。

静电纺丝-热处理采用静电纺丝制备高分子纳米纤维前体，然后通过热处理过程转化为碳纳米纤维，静电纺丝的技术路线相对成熟，可以实现较大规模的高分子纳米纤维的制备，但在高分子纳米纤维的稳定化与可控碳化方面还存在许多未解决的难题。总的来说，碳纳米纤维材料离大规模工业应用还存在一定距离，需要解决两个关键的技术挑战：

其一需要解决较大规模低成本制备无缺陷碳纳米纤维的方法与设备；其二需要解决碳纳米纤维制备过程中纤维直径与长度的控制问题，以及材料后处理与分散技术。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于无机结构模板的碳纳米纤维及其制备方法，用以解决现有碳纳米纤维制备成本高且纳米纤维的排列取向混乱、碳纳米纤维制备过程中纤维直径与长度无法控制的技术问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种基于无机结构模板的碳纳米纤维，碳纳米纤维的制备原料包括无机结构模板材料、含有交联剂与稠环芳烃混合物的四氢呋喃溶液；

无机结构模板材料为埃洛石、海泡石或蛇纹石中的一种。

进一步地，稠环芳烃混合物包括萘、菲和芘；菲的质量比例为20～60％，芘的质量比例为10～30％，其余为萘；

交联剂为苯甲醛、对苯二甲醇、对苯二酰氯、二乙烯苯、对苯二甲醛和三聚甲醛中的一种，交联剂的使用量为稠环芳烃混合物质量的0.45～1.3倍。

另一方面，本发明还提供了一种基于无机结构模板的碳纳米纤维的制备方法，用于制备上述的基于无机结构模板的碳纳米纤维，包括以下步骤：

步骤1、对无机结构模板材料进行预处理，得到预处理无机结构模板材料；

步骤2、利用含有交联剂与稠环芳烃混合物的四氢呋喃溶液对预处理无机结构模板进行浸渍与结构插层处理；

步骤3、对获得的无机结构模板-稠环芳烃混合物进行高温碳化处理得到碳化产物；

步骤4、去除无机结构模板，制备得到碳纳米纤维。

进一步地，在步骤1中，利用质量浓度为1.0～10％的硫酸溶液对无机结构模板材料进行预处理，硫酸溶液与无机结构模板材料的用量比为10～100ml/g，预处理温度为40～90℃，预处理时间为10～90min。

进一步地，在步骤2中，交联剂与稠环芳烃混合物的负载量为无机结构模板材料质量的5～25％，进行浸渍与结构插层处理的温度为60～150℃，进行浸渍与结构插层处理时间为30～120min。

进一步地，在步骤3中，无机结构模板-稠环芳烃混合物以3～15℃/min的升温速率升温至850～1200℃进行高温碳化处理。

进一步地，高温碳化处理时间为45～120min，处理过程中氮气的流量为60～700ml/min。

进一步地，在步骤4中，采用硫酸溶液与氢氧化钠溶液依次进行酸洗与碱洗，洗脱去除无机结构模板材料；

硫酸溶液的质量浓度为5.0～15％，硫酸溶液与碳化产物的比例为20～150ml/g；酸洗处理温度为50～90℃，处理时间为30～120min。

进一步地，在步骤4中，氢氧化钠溶液的质量浓度为8.0～16％，氢氧化钠溶液与碳化产物的比例为30～170ml/g。

进一步地，碱洗处理的温度为60～95℃，处理时间为30～120min

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)本发明以自然存在的无机矿物作为结构模板，通过稠环芳烃结构的可控碳化形成连续碳纳米纤维结构，在去除无机模板结构之后可得到碳纳米纤维，实现了低成本且过程可控的碳纳米纤维的制备。

(2)本发明方法采用天然廉价的无机矿物作为结构模板，同时以煤焦油分离的稠环芳烃混合物作为碳结构的前体物质，直接在无机模板结构中可控碳化形成连续碳纳米纤维结构，此过程简洁高效，设备通用性强，易实现成规模制备，制备原料与方法经济实用性，为大规模生产和应用碳纳米纤维提供了解决方案。

(3)现有技术中，碳纳米纤维的缺陷存在于以下两个方面：其一为碳纳米纤维的尺寸与长度无法控制调节，其二为纳米纤维的排列取向混乱，不利于后处理与分散。本发明采用埃洛石(Halloysite)、海泡石(Sepiolite)和蛇纹石(Chrysotile)为结构模板，该无机结构模板的纤维尺寸均一，纤维取向规整，本发明又利用含有交联剂与稠环芳烃混合物的四氢呋喃溶液对预处理无机结构模板材料进行浸渍与结构插层处理，更有利于通过无机结构模板实现纤维尺寸均一，纤维取向规整，从而达到调节与控制碳纳米纤维直径与长度的目的。

(4)现有技术制备碳纳米纤维主要由两种方法：气相催化沉积法和高分子前体静电纺丝，由于具体实验条件与采用原料差异较大，相关尺寸分布没有相对统一的范围。本发明制备的碳纳米纤维的长度L范围为100～1200nm，纳米纤维直径D范围为10～100nm，L/D比值的范围为10～60。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为稠环芳烃混合物与交联剂在无机结构模板中的

酸性位点的催化下在较低温度下缩合为多环多核芳香烃物质的反应过程示意图；

图2无机结构模板-稠环芳烃缩合物形成的复合物进行高温碳化处理过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明提供了一种基于无机结构模板的碳纳米纤维，该碳纳米纤维的制备材料包括：无机结构模板材料、含有交联剂与稠环芳烃混合物的四氢呋喃溶液。

无机结构模板材料为埃洛石(Halloysite)、海泡石(Sepiolite)和蛇纹石(Chrysotile)中的一种，以上三者皆为天然无机矿物。

埃洛石为晶体属单斜晶系的含水层状结构硅酸盐矿物，属1:1型结构单元层的二八面体型结构，但结构单元之间有层间水存在，在50～90℃失去大部层间水成为埃洛石。

埃洛石通常呈致密块状或土状；显微结构为晶体呈直的或弯曲的管状形态，晶形100％全天然纳米管状结构，直径0.1～0.4μm，长度<0.5μm。埃洛石的矿物组成95％为高岭石，微量的石英及钠明矾石，纯净埃洛石分子式为:Al₂O₃·2SiO₂·4H₂O。

海泡石是一种纤维状的含水硅酸镁，显微结构为由无数细丝聚在一起排成片状。MgO的含量范围为21％～25％，Mg填充了90％～100％的八面***置。海泡石的大部分化学组成及结构说明，这种矿物中有足够的阳离子，基本能填满8个(7.74～8.14)八面***置。海泡石的特殊结构使其具有截面积为0.36nm×1.06nm的管状贯穿通道及高达900m²/g的理论表面积。蛇纹石(Mg₆Si₄O₁₀(OH)₈)是由硅氧(SiO₂)四面体和氢氧化镁石Mg(OH)₂八面体组成的双层型结构的三八面体硅酸盐矿物。

由于四面体层和八面体层之间不协调，形成三种基本结构的矿物：平整结构的板状蛇纹石、交替波状结构的叶蛇纹石、卷曲状圆柱形结构的纤蛇纹石。在自然界纤蛇纹石矿物产出广泛，而且结晶程度高，可分性能良好。蛇纹石劈分性能优良，能最大限度地劈分为丝状体，劈分直径最小为1～2μm，显微结构为多为空心管状，其内径一般为6～8nm，外径为20～50nm。

本发明还提供了一种基于无机结构模板的碳纳米纤维的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、对无机结构模板材料进行预处理；

无机结构模板材料为埃洛石(Halloysite)、海泡石(Sepiolite)和蛇纹石(Chrysotile)中的一种。无机结构模板材料在使用需要利用质量浓度为1.0～10％的硫酸溶液进行预处理，硫酸溶液与无机模板的用量比例为10～100ml/g，处理温度为40～90℃，处理时间为10～90min。

采用质量浓度为1.0～10％的硫酸溶液对无机结构模板材料进行预处理以及控制上述预处理条件的目的主要有三点：1)对无机结构模板材料中氧化物进行刻蚀，以扩展管状纤维结构的尺寸，去除结构缺陷或是阻塞区域。埃洛石中部分氧化铝以硫酸铝形式溶出，海泡石和蛇纹石中的部分氧化镁以硫酸镁形式溶出；2)酸化无机结构模板材料表面的活性离子位点，以形成

酸性位点，有益于催化稠环芳烃分子的聚合形成碳化结构；3)去除铁、锰、钙、铬等杂质金属，以避免对碳纳米纤维带入金属离子污染。如果硫酸溶液浓度过大会造成刻蚀过程不可控，容易造成无机模板材料的管状纤维结构坍塌或是出现错层缺陷。

要说明的是，硫酸溶液处理完的固体进一步采用3～10倍质量的去离子水清洗3～6次，在空气中100～150℃干燥1～3h，以保证充分去除预处理无机结构模板上的硫酸溶液。

步骤2、利用含有交联剂与稠环芳烃混合物的四氢呋喃溶液对预处理无机结构模板材料进行浸渍与结构插层处理；

本发明通过溶液浸渍的方式在无机管状纤维结构中引入碳质前体物质，碳质前体为稠环芳烃混合物与交联剂，稠环芳烃混合物，本发明的稠环芳烃混合物的组成是根据其聚合反应特性以及具体反应环境和条件设计的。由萘、菲、芘组成，其中菲的质量比例为20～60％，芘的质量比例为10～30％，其余为萘；交联剂为苯甲醛、对苯二甲醇、对苯二酰氯、二乙烯苯、对苯二甲醛和三聚甲醛中的一种，其使用量为稠环芳烃混合物质量的0.45～1.3倍。萘、菲、芘三种稠环芳烃分子与交联剂的反应活性有差异，通过控制萘、菲、芘的质量的比例有利于与交联剂均匀聚合为满足要求的碳化前体物质。

利用含有交联剂与稠环芳烃混合物的四氢呋喃溶液(交联剂与稠环芳烃混合物的质量浓度为20％)对预处理无机结构模板材料进行浸渍与结构插层处理，其中，交联剂与稠环芳烃混合物的浸渍负载量为无机结构模板材料质量的5～25％，将负载量控制此范围有利于通过无机结构模板实现纤维尺寸均一，纤维取向规整，从而达到调节与控制碳纳米纤维直径与长度的目的。负载量过低会导致纤维的连续性较差，尺寸无法保持均一；负载量过高会引起纤维的聚集以及取向混乱，同时会造成无机模板结构的包埋，给去除模板造成一定困难。

上述结构插层处理的温度为60～150℃，处理时间为30～120min。严格控制该插层处理条件有利于芳烃分子通过交联剂发生初级的聚合形成纳米碳纤维的前体物质。

稠环芳烃混合物与交联剂在无机结构模板中的

酸性位点的催化下在较低温度下(90～150℃)缩合为多环多核芳香烃物质，该物质为形成碳纳米纤维的前驱体。稠环芳烃混合物与交联剂的反应从过程机理来看属于阳离子型缩聚反应。交联剂在

酸性催化剂的作用下形成碳正离子，对芳环进行亲电取代反应，一个交联剂分子可以连接两个芳环，由此缩聚形成长链或网状结构的为多环多核芳香烃大分子。具体反应过程如图1所示。

步骤3：对无机结构模板-稠环芳烃混合物进行高温碳化处理得到碳化产物；

具体地，在对无机结构模板-稠环芳烃混合物进行高温碳化处理时，随着处理温度的升高，多环多核芳香烃缩合物的结构也会逐渐缩合，形成片状石墨结构，最终在无机结构模板中形成连续的碳纳米纤维，具体的热处理碳化过程如图2所示。

高温碳化处理采用管式炉加热，以氮气作为载气，碳化过程的升温速率为3～15℃/min，高温碳化处理的热处理的温度区间为850～1200℃，处理时间为45～120min，处理过程中氮气的流量为60～700ml/min，碳化处理完的固体在相应的氮气中冷却至室温。

严格控制上述碳化处理条件有利于稠环芳烃分子聚合物逐步转化为碳结构，从而生成连续的纤维状材料，同时也可以避免碳化过程造成微区结构不均与纤维的内在缺陷。

步骤4、去除无机结构模板材料，制备得到碳纳米纤维；

在上述步骤4中，在完全高温碳化之后需要去除无机结构模板，本发明采用硫酸溶液与氢氧化钠溶液依次溶解洗脱的方法去除无机结构模板材料。避免采用氢氟酸溶解的方法，氢氟酸的使用容易造成较大量的含氟废水，同时氟化氢有很强的毒性与腐蚀性，对设备与操作有特殊要求，由此增加了处理操作的难度与成本。在现有技术中主要通常制备量为了实验室研究，量相对很少，使用氢氟酸除去模板反应快。但在需要大量制备时，大量使用氢氟酸会造成很多问题。由于本发明多采用复合的天然矿物作为结构模板，可以采用温和环保的硫酸溶液与氢氧化钠溶液依次溶解洗脱的方法去除模板。

本发明方法依次采用质量浓度为5.0～15％的硫酸溶液和质量浓度为8.0～16％的氢氧化钠溶液去除无机结构模板制得碳纳米纤维，控制硫酸和氢氧化钠溶液的质量浓度有利于在实现无机模板结构的有效去除的同时避免产生较大量的污染溶液或无机盐类废弃物。利用硫酸溶液溶解埃洛石中部分氧化铝以硫酸铝形式溶出，海泡石和蛇纹石中的部分氧化镁以硫酸镁形式溶出，可以在去除模板结构的同时回收金属盐。利用氢氧化钠溶液溶解无机结构中二氧化硅成分，以水玻璃硅酸钠的形式回收二氧化硅，避免造成新的污染。

需要说明的是，当进行酸洗时，硫酸溶液与碳化产物的比例为20～150ml/g，处理的温度为50～90℃，处理时间为30～120min。严格控制该酸洗条件有利于硫酸溶液溶解埃洛石中部分氧化铝以硫酸铝形式溶出，海泡石和蛇纹石中的部分氧化镁以硫酸镁形式溶出，可以在去除模板结构的同时回收金属盐。

酸洗处理后进行碱洗处理，氢氧化钠溶液与碳化产物的比例为30～170ml/g，处理的温度为60～95℃，处理时间为30～120min。处理完的固体进一步采用去5～15倍质量的去离子水清洗3～6次，在空气中100～120℃干燥1～3h。制备得到碳纳米纤维。严格控制碱洗条件有利于溶解无机结构中二氧化硅成分，以水玻璃硅酸钠的形式回收二氧化硅，避免造成新的污染。

与现有技术相比，本发明方法采用天然廉价的无机矿物作为结构模板，同时以煤焦油分离的稠环芳烃混合物作为碳结构的前体物质，直接在无机模板结构中可控碳化形成连续碳纳米纤维结构，此过程简洁高效，设备通用性强，易实现成规模制备，制备原料与方法经济实用性。

实施例1

本实施例提供了一种基于无机结构模板的碳纳米纤维的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、无机结构模板材料100g(如表1所列)，采用质量浓度为6％的硫酸溶液7kg进行预处理，处理温度为60℃，处理时间为30min。硫酸溶液处理完的固体进一步采用4倍质量的去离子水清洗5次，在空气中120℃干燥1.5h。

步骤2、利用交联剂与稠环芳烃混合物的四氢呋喃溶液(交联剂与稠环芳烃混合物的质量浓度为10％)对预处理完无机结构模板材料进行浸渍与结构插层处理，其中浸渍负载量为无机模板材料质量的20％，结构插层处理的温度为120℃，处理时间为60min。稠环芳烃混合物由萘、菲、芘组成，其中菲的质量比例为40％，芘的质量比例为20％，其余为萘；交联剂为对苯二甲醇，其使用量为稠环芳烃混合物质量的0.8倍。

步骤3、对无机结构模板-稠环芳烃混合物进行高温碳化处理，去除无机结构模板制得碳纳米纤维。高温碳化处理采用管式炉加热，以氮气作为载气，碳化过程的升温速率为6℃/min，高温碳化处理的热处理的温度区间为950℃，处理时间为90min，处理过程中氮气的流量为220ml/min。碳化处理完的固体(碳化产物)在相应的氮气中冷却至室温。

步骤4、去除无机结构模板材料，制备得到碳纳米纤维。

首先采用质量浓度为10％的硫酸溶液进行酸洗处理，硫酸溶液与碳化产物的比例为100ml/g，处理的温度为70℃，处理时间为50min。依次采用质量浓度为12％的氢氧化钠溶液进行碱洗处理，氢氧化钠溶液与碳化产物的比例为100ml/g，处理的温度为80℃，处理时间为90min。处理完的固体进一步采用去10倍质量的去离子水清洗5次，在空气中110℃干燥1.5h。即制得去除无机结构模板的碳纳米纤维。

表1不同无机结构模板材料制碳纳米纤维的性能

现有的碳纳米纤维的直径以及长度的难以实现有效控制，而且纤维取向排列混乱，碳纳米纤维分散处理困难，这使得材料具体应用上存在一些问题。本发明采用埃洛石(Halloysite)、海泡石(Sepiolite)和蛇纹石(Chrysotile)为无机结构模板，而无机结构模板的纤维尺寸均一，纤维取向规整，从而达到调节与控制碳纳米纤维直径与长度的目的。本发明制备的碳纳米纤维的长度L范围为100～1200nm，纳米纤维直径D范围为10～100nm，L/D比值的范围为10～60。

实施例2

步骤1、埃洛石100g，采用质量浓度为6％的硫酸溶液7kg进行预处理，处理温度为60℃，处理时间为30min。硫酸溶液处理完的固体进一步采用4倍质量的去离子水清洗5次，在空气中120℃干燥1.5h。

步骤2、利用含有交联剂与稠环芳烃混合物的四氢呋喃溶液(交联剂与稠环芳烃混合物的质量浓度为10％)对预处理完无机结构模板材料进行浸渍与结构插层处理，浸渍负载量、稠环芳烃混合物与交联剂的用量如表2所示，结构插层处理的温度为120℃，处理时间为60min。

步骤3、对无机结构模板-稠环芳烃混合物进行高温碳化处理，得到碳化产物。高温碳化处理采用管式炉加热，以氮气作为载气，碳化过程的升温速率为6℃/min，高温碳化处理的热处理的温度区间为950℃，处理时间为90min，处理过程中氮气的流量为220ml/min。碳化处理完的固体(碳化产物)在相应的氮气中冷却至室温。

步骤4、去除无机结构模板材料，制备得到碳纳米纤维。

表2浸渍多环多核芳香烃混合物的组成

实施例3

步骤1、埃洛石100g，采用质量浓度为6％的硫酸溶液7kg进行预处理，处理温度为60℃，处理时间为30min。硫酸溶液处理完的固体进一步采用去4倍质量的去离子水清洗5次，在空气中120℃干燥1.5h。

步骤2、利用含有交联剂与稠环芳烃混合物的四氢呋喃溶液(交联剂与稠环芳烃混合物的质量浓度为10％)对预处理完无机结构模板材料进行浸渍与结构插层处理，其中浸渍负载量为无机模板材料质量的20％，结构插层处理的温度为120℃，处理时间为60min。稠环芳烃混合物由萘、菲、芘组成，其中菲的质量比例为40％，芘的质量比例为20％，其余为萘；交联剂为对苯二甲醇，其使用量为稠环芳烃混合物质量的0.8倍。

步骤3、对无机结构模板-稠环芳烃混合物进行高温碳化处理，得到碳化产物。高温碳化处理采用管式炉加热，以氮气作为载气，碳化过程参数如表3所列。碳化处理完的固体(碳化产物)在相应的氮气中冷却至室温。

步骤4、去除无机结构模板材料，制备得到碳纳米纤维。

表3碳化处理条件参数

实施例4

步骤3、对无机结构模板-稠环芳烃混合物进行高温碳化处理，得到碳化产物。高温碳化处理采用管式炉加热，以氮气作为载气，碳化过程的升温速率为6℃/min，热处理的温度区间为950℃，处理时间为90min，处理过程中氮气的流量为220ml/min。碳化处理完的固体(碳化产物)在相应的氮气中冷却至室温。

步骤4、去除无机结构模板材料，制备得到碳纳米纤维。

首先采用硫酸溶液进行酸洗处理，处理的温度为70℃，处理时间为50min。依次采用氢氧化钠溶液进行碱洗处理，处理的温度为80℃，处理时间为90min，硫酸溶液与氢氧化钠溶液的参数如表4所示。处理完的固体进一步采用去10倍质量的去离子水清洗5次，在空气中110℃干燥1.5h。即制得去除无机结构模板的碳纳米纤维。

表4去除无机结构模板材料的条件参数

实施例5

步骤2、利用含有交联剂与稠环芳烃混合物的四氢呋喃溶液(交联剂与稠环芳烃混合物的质量浓度为10％)对预处理完无机结构模板材料进行浸渍与结构插层处理，处理的条件参数如表5所列。稠环芳烃混合物由萘、菲、芘组成，其中菲的质量比例为40％，芘的质量比例为20％，其余为萘；交联剂为对苯二甲醇，其使用量为稠环芳烃混合物质量的0.8倍。

步骤4、去除无机结构模板材料，制备得到碳纳米纤维。

表5插层处理条件参数对制得材料性能影响

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于无机结构模板的碳纳米纤维，其特征在于，所述碳纳米纤维的制备原料包括无机结构模板材料、含有交联剂与稠环芳烃混合物的四氢呋喃溶液；

所述无机结构模板材料为埃洛石、海泡石或蛇纹石中的一种。

2.根据权利要求1所述的基于无机结构模板的碳纳米纤维，其特征在于，所述稠环芳烃混合物包括萘、菲和芘；菲的质量比例为20～60％，芘的质量比例为10～30％，其余为萘；

所述交联剂为苯甲醛、对苯二甲醇、对苯二酰氯、二乙烯苯、对苯二甲醛和三聚甲醛中的一种，所述交联剂的使用量为稠环芳烃混合物质量的0.45～1.3倍。

3.一种基于无机结构模板的碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1和2所述的基于无机结构模板的碳纳米纤维，包括以下步骤：

步骤4、去除无机结构模板，制备得到碳纳米纤维。

4.根据权利要求1所述的基于无机结构模板的碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，在所述步骤1中，利用质量浓度为1.0～10％的硫酸溶液对无机结构模板材料进行预处理，硫酸溶液与无机结构模板材料的用量比为10～100ml/g，预处理温度为40～90℃，预处理时间为10～90min。

5.根据权利要求3所述的基于无机结构模板的碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述交联剂与稠环芳烃混合物的负载量为无机结构模板材料质量的5～25％，进行浸渍与结构插层处理的温度为60～150℃，进行浸渍与结构插层处理时间为30～120min。

6.根据权利要求3所述的基于无机结构模板的碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，在所述步骤3中，无机结构模板-稠环芳烃混合物以3～15℃/min的升温速率升温至850～1200℃进行高温碳化处理。

7.根据权利要求6所述的基于无机结构模板的碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，所述高温碳化处理时间为45～120min，处理过程中氮气的流量为60～700ml/min。

8.根据权利要求7所述的基于无机结构模板的碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，在所述步骤4中，采用硫酸溶液与氢氧化钠溶液依次进行酸洗与碱洗，洗脱去除无机结构模板材料；

所述硫酸溶液的质量浓度为5.0～15％，所述硫酸溶液与碳化产物的比例为20～150ml/g；酸洗处理温度为50～90℃，处理时间为30～120min。

9.根据权利要求8所述的基于无机结构模板的碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，在所述步骤4中，所述氢氧化钠溶液的质量浓度为8.0～16％，所述氢氧化钠溶液与碳化产物的比例为30～170ml/g。

10.根据权利要求8所述的基于无机结构模板的碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，碱洗处理的温度为60～95℃，处理时间为30～120min。