由静电纺聚偏二氯乙烯制成的多孔碳纳米纤维在二氧化碳捕获和电磁干扰屏蔽中的应用

《CARBON》：Porous Carbon Nanofibers Derived from Electrospun Polyvinylidene Chloride for CO2 Capture and Electromagnetic Interference Shielding

　　

Govind Kumar Sharma|Sneha L. Joseph|Reshna Suresh|Rahul Shingte|Nirmala Rachel James

印度空间科学技术研究所化学系，特里凡得琅-695547，喀拉拉邦，印度

摘要

二氧化碳（CO₂）排放和电磁（EM）污染是现代时代两大主要的环境挑战。虽然过量的CO₂排放对全球气候变化有显著贡献，但电磁污染会导致电磁干扰（EMI），这可能会破坏电子设备的功能并造成永久性损害。为了解决这些挑战，我们开发了多功能碳化静电纺聚（乙烯基氯）纤维垫，这些纤维垫能够捕获CO₂，并且可以用作复合材料的有效导电填料，以实现EMI屏蔽。在这里，通过优化PVDC溶液参数并改进静电纺设备的滚筒收集器，制备了PVDC纤维垫。研究了静电纺PVDC纤维（PVDC-EF）的化学结构、结晶度、动态机械性能和热性能。PVDC-EF垫在空气气氛中于140 °C下稳定处理，并在氩气气氛中于900 °C下碳化，以制备多孔碳纳米纤维（PVDC-CNF）。这些PVDC-CNF具有较高的BET表面积，使其适合捕获CO₂。此外，厚度为1.5毫米的PVDC-CNF增强复合材料在X、Ku和K波段的平均EMI屏蔽效果分别为48、53和52分贝。本文首次报道了通过静电纺法制备PVDC纤维垫，并展示了将其转化为导电多孔PVDC-CNF垫的方法。这些材料及其复合材料具有作为高效CO₂捕获和EMI屏蔽材料的潜力。

引言

来自CO₂排放的空气污染以及无线技术和电信中的电磁（EM）污染是两个重要的全球性问题。这两个问题都对我们的日常生活和生物体的健康产生了负面影响。CO₂排放导致全球变暖，而电磁污染则引起电磁干扰（EMI），导致电子设备故障。CO₂排放的增加源于交通运输、化工产业、能源生产和森林砍伐。另一方面，随着无线技术、可穿戴设备和电子产品的微型化，EMI也在增加。[1], [2], [3], [4], [5], [6] 因此，我们需要能够捕获CO₂排放并保护电子设备免受不需要的电磁波信号干扰的材料。迄今为止，许多研究已经报道了各种材料在CO₂捕获和电磁干扰（EMI）屏蔽中的应用。[7], [8], [9] 目前仍在进行研究，以寻找既能捕获CO₂又能有效屏蔽EMI的理想材料。多孔碳材料以其在CO₂捕获方面的性能而闻名，而导电碳纳米纤维（CNFs）则非常适合EMI屏蔽应用。碳化静电纺聚丙烯腈（PAN）纤维垫由于其多孔性和层状石墨结构，已被广泛用于CO₂吸附和高性能EMI屏蔽。[10], [11], [12], [13], [14], [15] 然而，研究人员仍在积极探索替代PAN基CNFs的材料，这些材料在较低的碳化温度下仍能保持高石墨结构和高导电性。

聚（乙烯基氯）（PVDC）是一种聚合物前体，可以通过碳化直接转化为高度多孔的碳结构，同时释放HCl蒸汽。[16], [17], [18], [19], [20], [21] 由于这种独特的转化行为，PVDC可以作为制备高吸附性和导电性碳材料的替代品，特别是在CO₂吸附和EMI屏蔽应用中。Yamashita等人[23]利用PVDC在高温下与沥青反应，以提高芳香性并增加碳产量。此外，碳化PVDC因其高表面积和优异的电子传输性能而被广泛用作超级电容器的电极材料。[16], [18], [19] 多项研究调查了高温热解PVDC粉末的BET表面积，表明PVDC是制备多孔碳的良好前体。[24], [25], [26] Cai等人[27]报告了通过碳化后用KOH活化制备的高孔隙PVDC衍生碳材料，这些材料在0 °C下的CO₂吸附能力为5.6 mmol g^-1，在25 °C和1巴压力下的吸附能力为3.98 mmol g^-1，这归因于其宽的孔径分布、高比表面积和大孔体积。上述研究表明PVDC作为制备碳材料的有效聚合物前体的强大潜力。Li等人[26]研究了PVDC的热解机制及其通过HCl释放的热解产物形成。

此外，由于PVDC的高度结晶结构，它表现出出色的防水蒸气和氧气阻隔性能，使其成为需要保存和保护的包装应用的理想选择。这对于食品、药品和个人护理产品尤为重要，因为它有助于延长保质期并减少水分和氧气的侵入。[28] 其多功能性还体现在其化学稳定性和易于加工的特点上，使其可以用于挤出、涂层和铸造形式。全球对PVDC的需求持续强劲，年产量达到数十万吨。尽管像PVDC这样的氯化聚合物在塑料废物中所占比例相对较小，但即使是少量也可能干扰其他聚合物的回收。[29] 这突显了开发有效的PVDC回收和升级工艺的重要性，以支持可持续性倡议并减少环境影响。

通过传统碳化获得的碳材料主要用作活性炭，这通常限制了它们的应用范围。相比之下，具有二维（2-D）结构的碳材料，如石墨烯和石墨烯纳米片，大大扩展了应用可能性。此外，一维（1-D）碳纳米结构，包括碳纳米管，在各个领域得到了广泛应用。[30] 其中，具有1-D纤维形态的碳材料，如碳纳米纤维（CNFs），在结构和航空航天应用中得到了广泛应用。因此，预期PVDC衍生的CNFs将在未来的先进应用中展现出巨大潜力。因此，我们率先通过静电纺 followed by 碳化方法制备了PVDC衍生的CNFs。

静电纺是一种有效且多功能的技术，通过优化关键工艺参数可以生产出高长径比的1-D连续纤维。这些参数包括与聚合物溶液相关的因素，如聚合物在合适溶剂中的溶解度以及聚合物浓度，还包括静电纺条件，如施加的电压、流速和针尖与滚筒收集器之间的距离。[3], [31], [32] 然而，由于PVDC在常用溶剂中的溶解度有限以及在高温下容易发生脱氯化作用而导致的热不稳定性，开发PVDC衍生的静电纺纤维（PVDC-EF）仍然具有挑战性。[33] 此外，由于PVDC与铝的强粘附性，很难将静电纺制的PVDC垫从滚筒收集器的铝箔上分离。本研究报道了一种适当的二元溶剂系统，用于制备静电纺PVDC溶液。对滚筒收集器进行了改进，而不影响电场的有效性，从而使静电纺制的垫子能够完整地从铝箔上分离。

在本研究中，报道了通过碳化制备的静电纺PVDC纤维（PVDC-EF）和PVDC衍生的CNF（PVDC-CNF）的性能，这些材料用于CO₂吸附和EMI屏蔽应用。报告了PVDC、PVDC-EF和PVDC-CNF的结构和聚合物性能。为了实际应用，使用PVDC-CNF作为导电填料，PVDC作为基体制备了复合材料。多孔PVDC-CNF可以作为CO₂吸附的基体，而导电PVDC-CNF则用作8.2-26.5 GHz频率范围内的复合材料的导电填料。多孔PVDC-CNF具有高BET表面积，有助于CO₂吸附，并允许多次内部反射以实现基于吸收的EMI屏蔽。这项工作揭示了PVDC作为制备静电纺纤维和CNF材料的潜力，这些材料可用于超级电容器、电池、CO₂吸附、EMI屏蔽等应用。值得注意的是，类似的研究也可以使用报废的PVDC作为原料进行，为PVDC的可持续回收开辟新的途径，将其转化为高价值的碳材料，用于先进应用。

章节片段

材料

聚乙烯基氯（PVDC）由Syensqo Specialties India Pvt. Ltd.提供。N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）从Spectrochem（印度孟买）购买。

静电纺PVDC纤维（PVDC-EF）垫的制备

通过将PVDC粉末溶解在由NMP和DMF组成的二元溶剂系统中，制备了20 wt%的PVDC溶液。首先在80 °C下将1克PVDC溶解在3毫升NMP中2小时，然后用2毫升DMF稀释。将所得聚合物溶液在50 °C下搅拌12小时以确保

结果与讨论

为了制备静电纺纤维（EF），我们需要优化两个重要因素：（i）溶液参数和（ii）静电纺参数。PVDC在室温下不溶于常见溶剂，加热时会发生脱氯化作用，如图2所示。因此，选择合适的PVDC溶剂非常重要。DMF是静电纺的最佳溶剂之一，因为它具有良好的聚合物溶解能力。DMF的高介电常数增强了

结论

本研究展示了PVDC在CO₂吸附和EMI屏蔽应用中的巨大潜力。通过优化静电纺参数和改进金属滚筒收集器，成功制备了静电纺PVDC纤维垫。此外，优化的碳化过程使得形成了高度多孔的PVDC-CNF垫，同时保持了纤维形态。PVDC-CNF垫表现出高度的孔隙率和较大的比表面积，使其

作者贡献声明

Govind Kumar Sharma：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，研究，概念化。Reshna Suresh：方法论，研究。Sneha L Joseph：撰写 – 原稿，方法论，研究，概念化。Rahul Shingte：撰写 – 审稿与编辑，验证。Nirmala Rachel James：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，资源提供

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢Syensqo Specialties India Pvt Ltd.提供PVDC粉末用于这项工作。Sneha L Joseph感谢IIST主任和IISER Tirupati主任允许她在IIST进行硕士论文研究。作者感谢Dr. Chinmoy Saha在IIST的先进微波实验室提供EMI屏蔽测量设施。