一种细菌纤维素/活性碳纤维/碳纳米管膜材料的制备方法及其应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种膜材料的制备方法及其应用。
【背景技术】
[0002]传统的能源来源日益消耗殆尽，刺激人们去寻找可替代的能源和有效的能量贮存装置，而超级电容器具有高功率密度和较高的能量密度，应用于混合电动车、电动车、便携式电子设备等重要的领域，一直备受人们青睐。
[0003]当今社会对柔性、可弯曲设备储能需求的快速增长，人们急需研发下一代价廉、柔软、可弯曲的超级电容器，而电极材料是最重要的组成部分。但现有柔性电极材料制备工艺复杂、成本高，不具备良好的稳定性及力学性能。因此，釆用一个简单、有效、环保、适用于规模化生产的制备方法制备高性能的柔性电极材料尤其重要。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了解决现有柔性电极材料制备工艺复杂、成本高，不具备良好的稳定性及力学性能的问题，提供一种细菌纤维素/活性碳纤维/碳纳米管膜材料的制备方法及其应用。
[0005]本发明一种细菌纤维素/活性碳纤维/碳纳米管膜材料的制备方法，按如下步骤进行:
[0006]—、将细菌纤维素剪切成块浸泡在去离子水中超声洗涤，然后用液氮冷冻后进行冷冻干燥15?30h，获得备用细菌纤维素；
[0007]二、将备用细菌纤维素置于管式炉中进行高温热解，即得活性碳纤维，然后向活性碳纤维中加入表面活性剂，再分散在去离子水中，得到活性碳纤维分散液；
[0008]三、将细菌纤维素剪切成块后浸泡在去离子水中超声洗涤，然后置于去离子水中，搅拌使其分散均匀，再转移到匀浆机中搅拌，得到细菌纤维素浆料；
[0009]四、向酸化的碳纳米管中加入表面活性剂，然后分散在去离子水中，得到碳纳米管分散液；将碳纳米管分散液加入到活性碳纤维分散液中，搅拌使碳纳米管和活性碳纤维分散均匀，得到复合材料分散液；
[0010]五、将步骤三的细菌纤维素浆料真空抽滤成膜，然后加入复合材料分散液继续抽滤成膜，再放入真空干燥箱中进行干燥，制成细菌纤维素/活性碳纤维/碳纳米管膜材料；其中细菌纤维素/活性碳纤维/碳纳米管膜材料中细菌纤维素与步骤二的活性碳纤维的质量比为(15?1.5):1 ;细菌纤维素/活性碳纤维/碳纳米管膜材料中细菌纤维素与步骤四中酸化的碳纳米管的质量比为I: (0.02?0.2)。
[0011]本发明细菌纤维素/活性碳纤维/碳纳米管膜材料的应用是指作为电极应用于超级电容器中。
[0012]活性碳纤维具有良好的化学稳定性、导电性和赝电容储能特性，被认为是一种极具发展潜力的超级电容器电极材料。细菌纤维素，其薄膜具有超精细网状结构，裂解后的细菌纤维素可制作纳米碳纤维，所得活性碳纤维性能优良。
[0013]细菌纤维素是通过微生物的发酵获得的，其性能优良、资源丰富、环境友好，薄膜具有超精细网状结构、高结晶度、高纯度、高机械强度，作为一种新兴的环境友好型材料成为国内外材料领域研究的热点，细菌纤维素含有大量的羟基，具有良好的亲水性，与其他水溶性的高分子容易发生氢键结合，因而细菌纤维素作为复合材料具有天然的优势。
[0014]碳纳米管由于其独特的结构、化学性能、热性能和电性能而广受关注。其应用已经涉及到纳米电子器件、催化剂载体、储氢材料和复合材料等多方面。当其与其他碳材料复合应用于超级电容器方面具有广阔的前景。
[0015]本发明利用一种低成本、对环境友好且可规模化的制备方式，通过真空抽滤，制备出膜材料并以此组装成电容器。结构表明膜材料力学性能优良，具有很好的电容性质和优良的循环使用性。因此，这种膜材料在超级电容器中的应用具有广阔商业前景。
[0016]本发明的有益效果:(I)利用细菌纤维素超精细网络结构和优异的力学性能等特性，以此为基底负载纳米活性物质，可制备成超级电容器用自支撑自支撑柔性电极；⑵利用细菌纤维素超精细网络结构直接高温裂解制备活性碳纤维；(3)可规模化生产，制备工艺简单、节能、反应条件温和、毒性小，原料廉价易得成本低、膜材料稳定性及力学性能好；
(4)直接用做超级电容器电极具有很好的电容性。
【附图说明】
[0017]图1为实施例1制备的细菌纤维素/活性碳纤维/碳纳米管膜材料的照片；
[0018]图2为实施例1所获得的以细菌纤维素/活性碳纤维/碳纳米管膜材料制备的工作电极在6M氢氧化钾电解液中的不同扫描速度下的循环伏安曲线；其中a为10mV/S，b为20mV/s，c 为 50mV/s ；
[0019]图3为实施例1所获得的以细菌纤维素/活性碳纤维/碳纳米管膜材料制备的工作电极在6M氢氧化钾电解液中的恒电流充放电曲线；其中a为lmA/cm2，b为2mA/cm2，c为5mA/cm2，d 为 10mA/cm2，e 为 15mA/cm2 ；
[0020]图4为实施例1中所获得的以细菌纤维素/活性碳纤维/碳纳米管膜材料制备的工作电极的交流阻抗谱图；
[0021]图5为实施例2所获得的以细菌纤维素/活性碳纤维/碳纳米管膜材料制备的工作电极在6M氢氧化钾电解液中的不同扫描速度下的循环伏安曲线；其中a为10mV/S，b为30mV/s，c 为 50mV/s ；
[0022]图6为实施例2所获得的以细菌纤维素/活性碳纤维/碳纳米管膜材料制备的工作电极在6M氢氧化钾电解液中的恒电流充放电曲线；其中a为lmA/cm2，b为2mA/cm2，c为5mA/cm2，d 为 10mA/cm2，e 为 15mA/cm2 ；
[0023]图7为实施例2中所获得的以细菌纤维素/活性碳纤维/碳纳米管膜材料制备的工作电极的交流阻抗谱图；
[0024]图8为实施例1?2所获得的以细菌纤维素/活性碳纤维/碳纳米管膜材料制备的工作电极在6M氢氧化钾电解液中依据恒电流充放电曲线计算所得的比电容曲线，其中a为 BC-ACF-CNT-1，b 为 BC-ACF-CNT-2。
【具体实施方式】
[0025]本发明技术方案不局限于以下所列举的【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】之间的任意组合。
[0026]【具体实施方式】一:本实施方式一种细菌纤维素/活性碳纤维/碳纳米管膜材料的制备方法，按如下步骤进行:
[0027]—、将细菌纤维素剪切成块浸泡在去离子水中超声洗涤，然后用液氮冷冻后进行冷冻干燥15?30h，获得备用细菌纤维素；
[0028]二、将备用细菌纤维素置于管式炉中进行高温热解，即得活性碳纤维，然后向活性碳纤维中加入表面活性剂，再分散在去离子水中，得到活性碳纤维分散液；
[0029]三、将细菌纤维素剪切成块后浸泡在去离子水中超声洗涤，然后置于去离子水中，搅拌使其分散均匀，再转移到匀浆机中搅拌，得到细菌纤维素浆料；
[0030]四、向酸化的碳纳米管中加入表面活性剂，然后分散在去离子水中，得到碳纳米管分散液；将碳纳米管分散液加入到活性碳纤维分散液中，搅拌使碳纳米管和活性碳纤维分散均匀，得到复合材料分散液；
[0031]五、将步骤三的细菌纤维素浆料真空抽滤成膜，然后加入复合材料分散液继续抽滤成膜，再放入真空干燥箱中进行干燥，制成细菌纤维素/活性碳纤维/碳纳米管膜材料；其中细菌纤维素/活性碳纤维/碳纳米管膜材料中细菌纤维素与步骤二的活性碳纤维的质量比为(15?1.5):1 ;细菌纤维素/活性碳纤维/碳纳米管膜材料中细菌纤维素与步骤四中酸化的碳纳米管的质量比为I: (0.02?0.2)。
[0032]活性碳纤维具有良好的化学稳定性、导电性和赝电容储能特性，被认为是一种极具发展潜力的超级电容器电极材料。细菌纤维素，其薄膜具有超精细网状结构，裂解后的细菌纤维素可制作纳米碳纤维，所得活性碳