静电纺丝法制备复合纳米活性炭纤维吸附超低浓度SO2的研究

大气中超低浓度SO2对质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极有明显的毒化作用，严重的影响电池性能，缩短使用寿命。目前，仍无有效的解决方法。本项目拟采用溶胶-凝胶法和静电纺丝技术相结合制备金属氧化物-聚合物复合纳米活性炭纤维。选用适宜的改性剂溶液与有机纺丝母体为前驱体，静电纺丝得到复合纳米纤维，探索溶液参数、电纺参数等制备条件对纳米颗粒在纤维上的分布、排列及纤维形貌的影响。选用适宜的复合纳米纤维经缓慢氧化得到无机-有机复合纳米纤维，炭化、活化后制备复合纳米活性炭纤维，通过比表面积、孔径分布等基本吸附性能的表征，优化最佳的改性剂溶液和有机纺丝母体的比例。利用一维纳米材料的结构特殊性，设计和研究具有高活性、无需固载化、容易分离和重复使用率高的新型纳米活性炭纤维吸附材料，并将其应用于解决PEMFC中的催化剂中毒问题，脱除大气中超低浓度的SO2，建立吸附动力学和热力学模型，揭示吸附机理。

大气中低浓度SO2对质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极有明显的毒化作用，严重影响电池性能，且SO2浓度增大电池性能下降幅度很快。目前，针对此类毒化问题仍无有效的解决方法。. 活性碳纤维（Activated carbon fibers，ACFs）因其优异的吸附性能成为最具潜力的脱除超低浓度SO2的材料之一，目前其广泛应用于分离、净化、有机溶剂及化合物回收、工业有机废水治理、催化剂制备、环境保护等领域。此外，基于其丰富的孔隙结构和炭质特性，ACF也可作为储能材料和电极材料，在新能源领域发挥着重要作用。. 本项目采用静电纺丝法制备复合纳米纤维再经预氧化、碳化、活化制得复合活性碳纳米纤维(ACNFs)。以可溶性金属盐（如钛酸四丁酯、硝酸银）代替金属及金属氧化物纳米颗粒与有机纺丝母体混合，制备的复合活性碳纳米纤维具有更好的稳定性。探索溶液参数、电纺参数等制备条件对纤维形貌的影响。课题组成功制备了九种复合活性碳纳米纤维：PVP基TiO2-ACFs，PVP基Co3O4-ACFs， PAN基TiO2-ACFs，PAN基PVP-ACFs， PAN/CA-ACFs，PAN/CA基Ag-ACFs，PAN/CA基CuO-ACFs，PAN基中空结构碳纳米纤维，PAN /PMMA多孔中空碳纳米纤维。. 通过XRD、SEM、TEM、FT-IR、BET、TG-DSC等手段对纤维材料的结构、形貌、比表面积、孔径分布等进行了表征。在质子交换膜燃料电池(PEMFC)工作条件下，考察了复合纳米活性碳纤维脱除大气中超低浓度的SO2的能力，并建立吸附动力学模型，揭示其吸附机理。将PAN/CA-ACFs和PAN/CA-Ag-ACFs的SO2吸附曲线，分别进行准一级、准二级和班厄姆吸附动力学方程拟合分析，计算出相关的动力学方程拟合参数，得出：PAN/CA-ACFs和PAN/CA-Ag-ACFs 吸附SO2的动力学过程更好地符合班厄姆动力学方程。同时，考察了PAN/PVP- ACF对大气中低浓度SO2和NO混合气体的共吸附作用，结果表明，PAN/PVP-ACF对低浓度的SO2（0.5～4.0µg/mL）的饱和吸附量是低浓度NO（0.5～4.0µg/mL）的4倍，为PEMFC的应用研究提供重要科学支撑。