本技术涉及碳纳米纤维材料技术领域，具体涉及一种基于蚕丝蛋白纤维的碳纳米纤维、制备方法及其应用，包括以下步骤:向蚕丝蛋白纳米纤维溶液中加入Ti＆lt;subgt;3＆lt;/subgt;C＆lt;subgt;2＆lt;/subgt;T＆lt;subgt;x＆lt;/subgt; MXene后，在通氩气和冰浴下搅拌，得到混合溶液；将步骤S1中得到的混合溶液冷冻干燥，得到蚕丝蛋白纳米纤维‑X%，其中，X%为Ti＆lt;subgt;3＆lt;/subgt;C＆lt;subgt;2＆lt;/subgt;T＆lt;subgt;x＆lt;/subgt; MXene与蚕丝蛋白纳米纤维质量比；将步骤S2中得到的蚕丝蛋白纳米纤维‑X%进行碳化处理，得到碳纳米纤维‑X%；利用二维纳米材料MXene作为添加剂，防止纤维在碳化过程中发生熔融聚合，成功开发了以蚕丝为生物质原料的碳纳米纤维的制备方法。
背景技术
碳纳米纤维（Carbon Nanofibers, CNF）材料因其较小的毒性、良好的机械强度、较高的电导率等性质，在电子、能源、环保、生物医疗等多个领域展现出巨大的应用潜力。然而，以传统的化石燃料等不可再生资源为原料进行碳纳米纤维的合成生产不适用于当今社会可持续发展的需要，而生物质材料由于其来源广泛、价格低廉和可再生等优点被广泛的应用于各类碳材料，如多孔碳电极材料的生产。因此，探索发掘其他可再生资源为原料，开发碳纳米纤维的制备方法，成为了当前科研领域的热点。
当前合成碳纳米纤维的方法主要有化学气相沉积法、静电纺丝法、水热碳化法等。化学气相沉积利用低廉的烃类化合物、生物质材料作为碳源，在金属催化剂（如铁、钴、镍等）的作用下，通过热解或催化分解来合成碳纳米纤维。这种方法制备的碳纳米纤维具有较高的结晶度和良好的导电性，然而由于涉及的反应条件（如温度、压力、催化剂的种类和浓度等）较多且需要大量的能源来维持高温或者高压等条件，因此在热解或者催化过程中，难以精确控制，进而导致出现碳纳米纤维的直径和长度分布不均的问题。静电纺丝法是一种利用静电场力将高分子聚合物溶液或熔体转换成纳米纤维的技术。尽管当前已有很多研究人员使用多种材料（木质素、纤维素等）制备碳纳米纤维，但其通常需要先进行提取，再与聚合物（如聚丙烯腈）进行混合，才能进行纺丝。此外在纺丝时需要施加很高的电压（10~20kV）使得其安全性较低，另外其形貌结构也会受到后续碳化过程中各种条件（碳化温度、碳化时间等）的影响。水热碳化法是指在水热反应釜中，以有机糖类或者碳水化合物为原料，水为反应介质，在一定温度及压力下，经过一系列反应（如水解、脱水、脱羧、芳香化和再缩合等）生成碳纳米纤维的过程。这些反应依次发生，但也可能同时发生，且具有不同的动力学特性。因此水热碳化法的反应机制复杂，且受多种过程参数的影响，这使得反应条件的优化和控制变得复杂，此外其副产物的多样性也增大了后续提纯的难度。综上所述，在当前的合成技术阶段，要制备出理想的碳纳米纤维，不仅在实验设备的精密性上有着严苛的要求，而且在反应条件的精准调控上也面临着巨大挑战。因此，研发一种既简便又高效的碳纳米纤维制备方法显得尤为迫切和重要。
蚕丝作为由纳米纤维组装而成的具有精细层级结构的天然蛋白质，具有良好的柔韧性、精细的多孔结构以及卓越的机械强度，利用蚕丝这种庞大的生物质材料，通过简单的方法制备碳纳米纤维具有重要的意义。然而直接将蚕丝蛋白纳米纤维（SNF）进行碳化的方法由于碳化过程中发生熔融聚合，难以维持原有的纳米纤维形状以形成碳纳米纤维，因此需要热稳定性的物质来避免其聚集到一起，急需维持其形貌稳定的改性研究。
实现思路