一种基于富K熔盐制备高纯弹簧碳纤维的方法和应用

本发明属于碳材料，具体涉及一种基于富k熔盐制备高纯弹簧碳纤维的方法和应用。

背景技术：

1、自工业革命以来，煤、石油和天然气等化石燃料的过度消费向空气中排放了大量的co2气体，全球气候变暖日益加剧，大力发展节能减排技术刻不容缓。co2中c的能级低、活化难度大且转化效率低，具有一定惰性。基于可持续发展和资源有效利用的战略角度，借助清洁、可再生的电能完成co2的高效利用对减缓温室效应与环境污染具有重要现实意义。然而，传统的电化学技术通常需要复杂、精细的催化剂来克服反应能量壁垒，需要对电子结构、界面工程和空位缺陷等特征进行功能性调控与改性。催化剂制作合成费用不仅较高，且难以长久保证其在生产作业过程中的高效活性。此外，就产物种类而言，多为尿素、碳酸氢铵等肥料以及各种醇类、羧酸类、酯类和烃类等有机化工产品，大部分是低品阶的转化利用，而将co2直接还原为单质碳的研究却鲜有报道。

2、弹簧碳纤维(scnfs)是一种具有独特螺旋结构的新型碳材料，独特的三维结构赋予其超强的力学弹性、优异的电磁交叉极化能力和化学催化性能等，在纳/微器件、传感器、驱动器、手征催化、能量存储与转化和隐身吸波材料等领域具有广阔的应用前景。目前较为成熟的制备方法是利用催化化学气相沉积或原子层沉积等，通常需要昂贵的原材料和苛刻的制备温度(1100-1700℃)；同时合成纯度较低，制作设备复杂，生产工艺流程繁琐，能源消耗巨大且伴随高密度co2排放，严重限制了弹簧碳纤维的广泛应用。因此，开发以co2为反应碳源，低温、简易、高效的工艺技术制备弹簧碳纤维将是此领域的重要目标之一。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于富k熔盐制备高纯弹簧碳纤维的方法、该方法在温室气体co2转化利用中的应用、所得产物高纯弹簧碳纤维以及弹簧碳纤维在纳/微器件、传感器、驱动器、手征催化、能量存储与转化和隐身吸波材料等多领域中的应用。

2、本发明的目的之一是提供一种基于富k熔盐制备高纯弹簧碳纤维的方法，所述方法按以下步骤进行：

3、以富k的混合熔盐为电解质，以镍电极为阴极，在一定温度下进行恒流/恒压电解，在阴极表面获得弹簧碳纤维。

4、进一步限定，富k的混合熔盐包括碳酸盐、硼酸盐、偏硼酸盐、氯化盐、氟化盐和氧化物中的一种或几种。

5、更进一步限定，碳酸盐包括li2co3、na2co3、k2co3、rb2co3、cs2co3、caco3、baco3、srco3、mgco3。

6、更进一步限定，硼酸盐包括li2b4o7、na2b4o7、k2b4o7、ca3(bo3)2、ba3(bo3)2、sr3(bo3)2、mg3(bo3)2。

7、更进一步限定，偏硼酸盐包括libo2、nabo2、kbo2、cab2o6、bab2o6、srb2o6、mgb2o6。

8、更进一步限定，氯化盐包括licl、nacl、kcl、rbcl、cscl、cacl2、bacl2、srcl2、mgcl2。

9、更进一步限定，氟化盐包括lif、naf、kf、rbf、csf、caf2、baf2、srf2、mgf2。

10、更进一步限定，氧化物包括li2o、na2o、k2o、rb2o、cs2o、cao、bao、sro、mgo、nio、zno、b2o3、sno、al2o3、fe2o3、fe3o4。

11、进一步限定，富k的混合熔盐中k盐的含量为50-90wt.％。

12、进一步限定，镍电极为纯镍，或含镍合金，或镀/浸镍的金属、不锈钢、金属氧化物。

13、更进一步限定，镀/浸镍的金属包括铁、铜、铂、钛、钌、铱、钯、钨、铬、金中的一种，镀/浸镍的金属氧化物包括氧化锡、氧化钛、氧化铱、氧化钌中的一种。

14、进一步限定，阳极为金属及其合金、不锈钢或金属氧化物。

15、更进一步限定，阳极金属包括镍、铁、铜、铂、钛、钌、铱、钯、钨、铬、金中的一种，阳极金属氧化物包括氧化锡、氧化钛、氧化铱、氧化钌中的一种。

16、进一步限定，电解温度为350-850℃。

17、进一步限定，恒流电解的电流为50-500ma/cm2。

18、进一步限定，恒压电解的电压为1.2-3.2v。

19、本发明的目的之二是提供一种上述方法在co2资源转化中的应用。

20、本发明的目的之三是提供一种按上述方法获得的弹簧碳纤维，所述弹簧碳纤维的直径为100-500nm，纯度为80-100％。

21、本发明的目的之四是提供一种按上述方法获得的弹簧碳纤维在纳/微器件、传感器、驱动器、手征催化、能量存储与转化、隐身吸波材料领域中的应用。

22、本发明与现有技术相比具有的优点：

23、本发明的目的在于提供一种低温高效、工艺绿色、系统简单、低成本、低能耗且易工业化的co2电化学转化制备弹簧碳纤维的方法，具体优点如下：

24、(1)本发明制备的弹簧碳纤维形态规则、尺度均一且分散良好，直径为100-500nm，纯度可达95％以上，在光学/力学/电子器件、智能材料、电磁波吸收和化学催化等领域具有高潜力应用价值。

25、(2)本发明的方法采用的电解质为非富锂碳酸盐的熔盐体系，电解液成本费用低，同时可利用阳极产生的o2-捕获co2并借助电化学将其还原为弹簧碳纤维。

26、(3)本发明的方法制备温度低、合成操作简单、反应选择性高、副产物少并且具有一定的规模化应用潜质。

技术特征：

1.一种基于富k熔盐制备高纯弹簧碳纤维的方法，其特征在于，按以下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，富k的混合熔盐包括碳酸盐、硼酸盐、偏硼酸盐、氯化盐、氟化盐和氧化物中的一种或几种。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，碳酸盐包括li2co3、na2co3、k2co3、rb2co3、cs2co3、caco3、baco3、srco3、mgco3，硼酸盐包括li2b4o7、na2b4o7、k2b4o7、ca3(bo3)2、ba3(bo3)2、sr3(bo3)2、mg3(bo3)2，偏硼酸盐包括libo2、nabo2、kbo2、cab2o6、bab2o6、srb2o6、mgb2o6，氯化盐包括licl、nacl、kcl、rbcl、cscl、cacl2、bacl2、srcl2、mgcl2，氟化盐包括lif、naf、kf、rbf、csf、caf2、baf2、srf2、mgf2，氧化物包括li2o、na2o、k2o、rb2o、cs2o、cao、bao、sro、mgo、nio、zno、b2o3、sno、al2o3、fe2o3、fe3o4。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，富k的混合熔盐中k盐的含量为50-90wt.％。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，镍电极为纯镍，或含镍合金，或镀/浸镍的金属、不锈钢、金属氧化物，阳极为金属及其合金、不锈钢或金属氧化物。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，电解温度为350-850℃。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，恒流电解的电流为50-500ma/cm2，恒压电解的电压为1.2-3.2v。

8.权利要求1-7任一项所述的方法在co2资源转化中的应用。

9.权利要求1-7任一项所述的方法获得的弹簧碳纤维，其特征在于，其直径为100-500nm，纯度为80-100％。

10.权利要求1-7任一项所述的方法获得的弹簧碳纤维在纳/微器件、传感器、驱动器、手征催化、能量存储与转化、隐身吸波材料领域中的应用。

技术总结
一种基于富K熔盐制备高纯弹簧碳纤维的方法和应用。本发明属于碳材料技术领域。具体是以富K的混合熔盐为电解质，以镍电极为阴极，在一定温度下进行恒流/恒压电解，在阴极表面获得弹簧碳纤维。所制备的弹簧碳纤维形态规则、尺度均一且分散良好，直径为100‑500nm，纯度可达90％以上。该方法具备操作简单、清洁高效、低温节能、可持续化以及可规模化生产等优点，为CO<subgt;2</subgt;资源化利用和弹簧碳纤维生产提供了一种新的途径。

技术研发人员：吴红军,乔志强,李志达,纪德强,纪德彬,苑丹丹
受保护的技术使用者：东北石油大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16