本發(fā)明涉及一種陣列螺旋碳納米纖維海綿及其制備方法，屬于碳納米纖維材料。

背景技術：

1、碳納米纖維的發(fā)現(xiàn)堪稱碳材料科學領域具有里程碑意義的重大突破，自被發(fā)現(xiàn)以來，其獨特的結構、卓越的性能在科研界引發(fā)了廣泛而深入的研究熱潮，從結構特性而言，碳納米纖維具有近乎完美的一維納米結構，這種獨特的結構賦予了它眾多的優(yōu)異性能，為螺旋碳納米纖維的研究奠定了基礎?？蒲腥藛T圍繞碳納米纖維的結構、性能和制備方法開展了全方位、多層次的研究工作。在油水分離領域，螺旋碳納米纖維展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。其特殊的螺旋結構以及表面性質使其能夠對油和水產生不同的親和性與吸附選擇性，可有效吸附并分離油水混合物中的油分，并且在多次吸附-脫附循環(huán)過程中仍能保持較高的分離效率和穩(wěn)定性；同時螺旋結構所形成的獨特微觀形貌與孔隙結構有助于構建連續(xù)的油水傳輸通道，進一步提升油水分離的效率。化學氣相沉積法(cvd)是制備螺旋碳納米纖維最有前景的方法之一。該方法利用氣態(tài)或蒸汽物質在氣相或氣-固界面反應生成固態(tài)沉積物來制備，通過精確控制反應參數(shù)和催化劑來有效控制纖維的直徑、形態(tài)以及排布。

2、隨著工業(yè)的發(fā)展和環(huán)境問題的日益凸顯，油水分離領域對于高效分離材料的需求愈發(fā)迫切。傳統(tǒng)的油水分離方法存在諸多局限性，如分離效率低、成本高、易造成二次污染等。而碳納米纖維材料，因其具備良好的化學穩(wěn)定性以及可調控的表面性質，在油水分離領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。但是，現(xiàn)有用于該領域的碳納米纖維存在著在制備過程中難以精確控制其結構和形貌，特別是難以大批量合成螺旋纖維，會表現(xiàn)出孔隙分布不均、纖維直徑波動較大等問題，這會影響碳納米纖維的油水傳輸和吸附效率。同時，結構強度的不足也使得碳納米纖維在高流速或長期循環(huán)的環(huán)境中容易變形或損壞，會限制其實際應用性能。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有用于油水分離領域的碳納米纖維存在著在制備過程中難以精確控制其結構和形貌，特別是難以大批量合成螺旋纖維，會表現(xiàn)出孔隙分布不均、纖維直徑波動較大等問題，，本發(fā)明提出一種陣列螺旋碳納米纖維海綿及其制備方法，以納米金屬為催化劑，催化含碳氣體氣相沉積形成具有高彈性模量的陣列螺旋碳納米纖維自支撐海綿塊體，所述陣列螺旋碳納米纖維海綿的結構為扭結狀螺旋結構或彈簧狀螺旋結構，在應力作用下，陣列螺旋碳納米纖維自支撐海綿塊體能夠維持良好的形狀穩(wěn)定性，并且受壓后能夠迅速回到原始狀態(tài)，且陣列螺旋碳納米纖維自支撐海綿塊體具有優(yōu)良的油水分離性能。

2、一種陣列螺旋碳納米纖維海綿，以納米金屬作為催化劑前驅體，在保護性氣體和含碳有機分子氣體流入下反應制備而得的螺旋碳納米纖維海綿，所述螺旋碳納米纖維海綿由直徑99～174nm的螺旋碳納米纖維互相規(guī)則纏繞排布形成的自支撐海綿塊體，所述陣列螺旋碳納米纖維海綿的結構為扭結狀螺旋結構或彈簧狀螺旋結構。

3、所述陣列排布的螺旋碳納米纖維含有較高缺陷，且催化劑內嵌入纖維中，負載有官能團c＝c、c-h、和o-h。所述陣列螺旋碳納米纖維海綿具有豐富的孔隙，使其具有較高的孔隙率，能夠提供更大的比表面積，提高油水分離的效率。

4、所述陣列螺旋碳納米纖維海綿的厚度為1～3.5cm，長度為5～8cm。

5、所述陣列螺旋碳納米纖維海綿的制備方法(見圖1)，具體步驟如下：

6、(1)將納米金屬前驅體均勻分散到乙醇中得到納米金屬前驅體分散液，納米金屬前驅體分散液直接烘干得到預處理納米金屬前驅體；

7、(2)將預處理納米金屬前驅體置于化學氣相沉積管式爐內，勻速升溫至溫度280～400℃并勻速通入保護性氣體0.5～4h；

8、(3)將保護性氣體切換為含碳有機分子氣體并勻速通入化學氣相沉積管式爐內，在溫度280～400℃下納米金屬催化氣相沉積1.5～4h以促使螺旋碳納米纖維的形成；

9、(4)將含碳氣體切換為保護性氣體并勻速通入化學氣相沉積管式爐內，勻速冷卻至室溫得到陣列排布的螺旋碳納米纖維海綿。所述陣列排布的螺旋碳納米纖維海綿具有較大缺陷，螺旋碳納米纖維的碳原子以sp2和sp3雜化方式結合，形成了強健的共價鍵，使得材料既具備優(yōu)異的化學穩(wěn)定性能夠耐受油水混合物中復雜的化學環(huán)境，不易于其中的酸堿物質或其他化學成分發(fā)生反應；又具備良好的機械強度，在處理油水混合物時，能夠承受流體的沖刷、攪拌等外力而不發(fā)生結構破壞。

10、優(yōu)選的，所述步驟(1)納米金屬前驅體為鐵基催化劑或銅基催化劑，納米金屬前驅體分散液的濃度為1～4g/l。

11、優(yōu)選的，所述步驟(1)烘干溫度為60～80℃，時間為5～9h。

12、優(yōu)選的，所述步驟(2)保護性氣體為氮氣或惰性氣體，流速為40～80ml/min，勻速升溫速率為1～10℃。

13、優(yōu)選的，所述步驟(3)含碳氣體為甲烷或乙炔，流速為50～80ml/min。

14、優(yōu)選的，所述步驟(4)保護性氣體為氮氣或惰性氣體，流速為40～80ml/min，勻速冷卻速率為5～10℃/min。

15、所述陣列螺旋碳納米纖維海綿作為油水分離材料應用于油水流體分離中。

16、本發(fā)明的有益效果是：

17、(1)本發(fā)明以納米金屬為催化劑，采用化學氣相沉積法制備直徑為99～174nm陣列排布的螺旋碳納米纖維海綿，陣列排布的螺旋碳納米纖維海綿為規(guī)則纏繞排布的自支撐海綿塊體(無需額外支撐物保持形狀和結構完整)；其制備方法簡單便捷，產率高，且具有良好的可重復性和可擴展性；

18、(2)本發(fā)明陣列排布的螺旋碳納米纖維海綿其反應過程中的溫度和氣體流量等參數(shù)可調節(jié)，確保螺旋碳納米纖維在直徑、長度、排列方面以及結構的可控性，滿足不同應用需求；

19、(3)本發(fā)明所得陣列排布的螺旋碳納米纖維海綿具有較大缺陷，螺旋碳納米纖維的碳原子以sp2和sp3雜化方式結合，形成了強健的共價鍵，使得材料既具備優(yōu)異的化學穩(wěn)定性能夠耐受油水混合物中復雜的化學環(huán)境，不易于其中的酸堿物質或其他化學成分發(fā)生反應；又具備良好的機械強度，在處理油水混合物時，能夠承受流體的沖刷、攪拌等外力而不發(fā)生結構破壞；

20、(4)本發(fā)明螺旋碳納米纖維海綿適用于多種類型的碳源和催化劑，具有較強的適應性，陣列螺旋碳納米纖維的油水分離特性是其微觀結構、材料組成及分子運動共同作用的結果，為其在流體分離應用領域的廣泛應用奠定了基礎。

技術特征：

1.一種陣列螺旋碳納米纖維海綿，其特征在于：以納米金屬作為催化劑前驅體，在保護性氣體和含碳有機分子氣體流入下反應制備而得的螺旋碳納米纖維海綿，所述螺旋碳納米纖維海綿由直徑99～174nm的螺旋碳納米纖維互相規(guī)則纏繞排布形成的自支撐海綿塊體，所述陣列螺旋碳納米纖維海綿的結構為扭結狀螺旋結構或彈簧狀螺旋結構。

2.根據(jù)權利要求1所述陣列螺旋碳納米纖維海綿，其特征在于：所述陣列螺旋碳納米纖維海綿的厚度為1～3.5cm，長度為5～8cm。

3.根據(jù)權利要求1或2所述陣列螺旋碳納米纖維海綿的制備方法，其特征在于，具體步驟如下：

4.根據(jù)權利要求3所述陣列螺旋碳納米纖維海綿的制備方法，其特征在于：步驟(1)納米金屬前驅體為鐵基催化劑或銅基催化劑，納米金屬前驅體分散液的濃度為1～4g/l。

5.根據(jù)權利要求3所述陣列螺旋碳納米纖維海綿的制備方法，其特征在于：步驟(1)烘干溫度為60～80℃，時間為5～9h。

6.根據(jù)權利要求3所述陣列螺旋碳納米纖維海綿的制備方法，其特征在于：步驟(2)保護性氣體為氮氣或惰性氣體，流速為40～80ml/min，勻速升溫速率為1～10℃。

7.根據(jù)權利要求3所述陣列螺旋碳納米纖維海綿的制備方法，其特征在于：步驟(3)含碳氣體為甲烷或乙炔，流速為50～80ml/min。

8.根據(jù)權利要求3所述陣列螺旋碳納米纖維海綿的制備方法，其特征在于：步驟(4)保護性氣體為氮氣或惰性氣體，流速為40～80ml/min，勻速冷卻速率為5～10℃/min。

9.權利要求1或2所述陣列螺旋碳納米纖維海綿作為油水分離材料應用于油水流體分離中。

技術總結
本發(fā)明涉及一種陣列螺旋碳納米纖維海綿及其制備方法，屬于碳納米纖維材料技術領域。本發(fā)明以納米金屬作為催化劑前驅體，在保護性氣體和含碳有機分子氣體流入下反應制備而得的螺旋碳納米纖維海綿，所述螺旋碳納米纖維海綿由直徑99～174nm的螺旋碳納米纖維互相規(guī)則纏繞排布形成的自支撐海綿塊體，所述陣列螺旋碳納米纖維海綿的結構為扭結狀螺旋結構或彈簧狀螺旋結構。該海綿體孔隙豐富、孔隙率高、有彈性，經表面處理后具有疏水親油特性。本發(fā)明制備方法步驟簡單高效、可控制備、重復性和擴展性佳，能大批量生產。

技術研發(fā)人員：李穎,蔡夏龍,張榕玲,魏漢軍,郭斯仁,李羽迪,趙琳琳,陳思宇,馮維,陳智勇,楊旭林,王盼,李逵,馮威,牟自豪,郭一帆,田馨,蔣虎南
受保護的技術使用者：成都大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/5/15