一種靜電紡絲法制備木質(zhì)素基碳纖維儲(chǔ)氫材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制備儲(chǔ)氫材料的方法，尤其是提供了一種靜電紡絲法制備木質(zhì)素基碳纖維儲(chǔ)氫材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氫能具有環(huán)境友好、儲(chǔ)量豐富、燃燒熱值高等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)最具潛力的綠色能源。然而，缺少一種安全、經(jīng)濟(jì)有效的存儲(chǔ)技術(shù)是目前制約氫能走向?qū)嵱没⒁?guī)?；膯?wèn)題所在，因此開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)異的儲(chǔ)氫材料是解決氫能存儲(chǔ)問(wèn)題的關(guān)鍵。
[0003]碳基儲(chǔ)氫材料具有重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，近幾年逐漸得到重視。石墨碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)由許多石墨片層組成，層面間距大于0.337 nm，而氫分子的動(dòng)力學(xué)直徑為0.289 nm，這種獨(dú)特的片層結(jié)構(gòu)有可能使氫分子進(jìn)入石墨片層間存儲(chǔ)；且石墨化后的碳原子能夠獲得更高的能量，與氫分子的作用力增強(qiáng)，更有利于氫氣的吸附。
[0004]靜電紡絲是一種利用電場(chǎng)力和溶液表面張力的作用把高聚物溶液拉伸成絲的一種方法，大部分的高聚物溶液都可以通過(guò)電紡得到纖維，如聚丙烯腈、瀝青、黏膠等。然而目前市場(chǎng)上90%以上的碳纖維都是由聚丙烯腈制得，聚丙烯腈是一種石油基原料，不僅儲(chǔ)量有限、價(jià)格昂貴，而且石化資源的開(kāi)采也會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定程度的污染。木質(zhì)素在地球上的儲(chǔ)量十分豐富，是一種可再生資源，數(shù)量?jī)H次于纖維素，而且它含碳量高(55°/『66%)，如果采用木質(zhì)素為原料制備高性能碳纖維作為儲(chǔ)氫材料，有可能為木質(zhì)素的高質(zhì)化利用開(kāi)辟一條嶄新的道路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種靜電紡絲法制備木質(zhì)素基碳纖維儲(chǔ)氫材料的方法，用此方法制備的木質(zhì)素基碳纖維具有良好的儲(chǔ)氫性能。
[0006]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的采用技術(shù)方案如下:
1.配制紡絲溶液:將聚合物模板溶于溶劑中，加熱攪拌，制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%~14%的均一溶液。然后將催化劑前驅(qū)體加入所制備的聚合物溶液中，攪拌使其完全溶解，即得紡絲溶液；
2.電紡制備復(fù)合纖維:取紡絲溶液于注射器中，設(shè)置紡絲電壓15~25kv、推進(jìn)速率
0.1~1 ml/h、接收距離10~18 cm、溫度25 °C-50 °C，通過(guò)靜電紡絲制得復(fù)合纖維前驅(qū)體；
3.預(yù)氧化:將步驟(2)制備的復(fù)合纖維前驅(qū)體在70°C下真空干燥6~12 h后，于馬弗爐中空氣氣氛下200~300 °C預(yù)氧化1~3 h ；
4.煅燒:將步驟(3)中預(yù)氧化后的復(fù)合纖維前驅(qū)體置于管式爐中，在流速為200ml/min惰性氣氛下，采用逐步升溫法進(jìn)行煅燒，煅燒溫度600~1600 V，煅燒時(shí)間1~2 h，得到復(fù)合碳纖維。
[0007]上述步驟中，
所述的聚合物模板是指木質(zhì)素磺酸鈉(LN)和聚丙烯腈(PAN)的混合物或其中之 O
[0008]所述LN和PAN的質(zhì)量分別為0~2 g和0~4 g。
[0009]所述的溶劑是指N，N- 二甲基甲酰胺或二甲基亞砜。
[0010]所述的催化劑前驅(qū)體是指乙酸鎳和硼酸任意比例的混合或其中之一。
[0011]所述的紡絲溶液中LN/PAN:乙酸鎳:硼酸的重量比是1:0%~30%:0%~10%。
[0012]所述的惰性氣體是指氮?dú)?、氬氣或者氮?dú)浠旌蠚狻?br>[0013]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
本發(fā)明使用木質(zhì)素磺酸鈉為原料，來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉；采用靜電紡絲制備木質(zhì)素基碳纖維儲(chǔ)氫材料，設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便；制備的木質(zhì)素基碳纖維，石墨化程度高，儲(chǔ)氫性能優(yōu)
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是實(shí)施例1所述的N1-B催化石墨化制備LN/PAN復(fù)合碳纖維的Raman圖。
[0015]圖2是實(shí)施例1所述的N1-B催化石墨化制備LN/PAN復(fù)合碳纖維的TEM圖。
[0016]圖3是實(shí)施例1所述的N1-B催化石墨化制備LN/PAN復(fù)合碳纖維的氮?dú)馕摳降葴鼐€。
[0017]圖4是實(shí)施例1所述的N1-B催化石墨化制備LN/PAN復(fù)合碳纖維的吸氫曲線。
[0018]圖5是實(shí)施例7所述的LN/PAN復(fù)合碳纖維的TEM圖。
[0019]圖6是實(shí)施例7所述的LN/PAN復(fù)合碳纖維的吸氫曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0020]實(shí)施例1
1.配制紡絲溶液:取I g的LN、1 g的PAN、0.4 g乙酸鎳、0.1 g硼酸和17 ml的DMF，在25 °0的磁力攪拌器上攪拌直至完全溶解形成均勻的紡絲溶液。
[0021]2.電紡制備復(fù)合纖維:在電壓18 kv，接收距離15 cm，紡絲液推流速率0.8 ml/h,電紡溫度45 0C的條件下，通過(guò)靜電紡絲得到LN/PAN復(fù)合微納米纖維，置于真空干燥箱中70 °C干燥 8 ho
[0022]3.預(yù)氧化:將干燥得到的LN/PAN復(fù)合微納米纖維于馬弗爐中空氣氣氛下280 V預(yù)氧化I h。
[0023]4.煅燒:將預(yù)氧化后的纖維，在200 ml/min的氬氣氣氛下以3 V /min的升溫速率加熱至400 °C后通入H2/N2混合氣，溫度達(dá)到700 °C后關(guān)掉混合氣，繼續(xù)通入氬氣升溫至1600 °C并恒溫I h，制備出含有N1-B催化劑的LN/PAN復(fù)合碳纖維。本實(shí)例制備的LN/PAN復(fù)合碳纖維的具有較高的石墨化程度，R (ID/IG)=0.55，Raman如圖1所示，TEM如圖2所示，BET如圖3所示。
[0024]5.儲(chǔ)氫性能測(cè)試:N1-B催化石墨化制備的LN/PAN復(fù)合碳纖維，在298 K,95 bar條件下60 s內(nèi)的吸氫量達(dá)到0.92%，表現(xiàn)出良好的儲(chǔ)氫性能，如圖4所示。
[0025]實(shí)施例2
1.配制紡絲溶液:稱取I g的堿木質(zhì)素、1 g的PAN、0.4 g乙酸鎳、0.1 g硼酸和17ml的DMF，在25 °C的磁力攪拌器上攪拌直至完全溶解形成均勻的紡絲溶液。
[0026]2.電紡制備復(fù)合纖維:在電壓22 kv，接收距離15 cm，紡絲液推流速率0.5 ml/h,電紡溫度45 °C條件下，通過(guò)靜電紡絲得到堿木質(zhì)素/PAN復(fù)合微納米纖維，置于真空干燥箱中70 °C干燥8 ho
[0027]3.預(yù)氧化:將干燥得到的堿木質(zhì)素/PAN復(fù)合微納米纖維于馬弗爐中空氣氣氛下280 °C預(yù)氧化I h。
[0028]4.煅燒:將預(yù)氧化后的纖維，在200 ml/min的氬氣氣氛下以3 V /min的升溫速率加熱至400 °C后通入H2/N2混合氣，溫度達(dá)到700 °C后關(guān)掉混合氣，繼續(xù)通入氬氣升溫至1600 °C并恒溫I h，制備出含有N1-B催化劑的堿木質(zhì)素/PAN復(fù)合碳纖維。
[0029]5.儲(chǔ)氫性能測(cè)試:測(cè)試N1-B催化石墨化制備的堿木質(zhì)素/PAN復(fù)合碳纖維在298K,95 bar條件下的吸氫量。
[0030]實(shí)施例3
1.配制紡絲溶液:稱取I g的LN、1 g的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、0.4 g乙酸鎳、0.1g硼酸和17 ml的DMF，在25 °C的磁力攪拌器上攪拌直至完全溶解形成均勻的紡絲溶液。
[0031]2.電紡制備復(fù)合纖維:在電壓18 kv，接收距離15cm，紡絲液推流速率0.8 ml/h,電紡溫度45 °C條件下，通過(guò)靜電紡絲得到LN/PVP復(fù)合微納米纖維，置于真空干燥箱中70°C干燥8 ho
[0032]3.預(yù)氧化:將干燥得到的LN/PVP復(fù)合微納米纖維于馬弗爐中空氣氣氛下280 °C預(yù)氧化I h。
[0033]4.煅燒:將預(yù)氧化后的纖維，在200 ml/min的氬氣氣氛下以3 V /min的升溫速率加熱至400 °C后通入H2/N2混合氣，溫度達(dá)到700 °C后關(guān)掉混合氣，繼續(xù)通入氬氣升溫至1600 °C并恒溫I h，制備出含有N1-B催化