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静电纺丝制备氮掺杂碳纳米纤维及其电化学性能研究
摘要
静电纺丝可以方便地制备出连续的高分子纤维,通过进一步预氧化及高温炭化能得到碳纤维薄膜。通过采用不同的碳源、控制预氧化的条件、添加不同的致孔剂、采用不同的炭化温度,可以制备出不同微观结构的碳纳米纤维膜。在高分子溶液中添加金属化合物,还可以得到负载金属/氧化物颗粒的碳纳米纤维,所得碳纳米纤维膜可直接用作超级电容器的电极。超级电容器具有功率密度高、循环寿命长、倍率性能好等优点,其中电极材料是提高其性能的关键。因此,本论文主要研究比表面积高、表面润湿性好的氮掺杂多孔碳纳米纤维及其金属氧化物复合物的制备, 并将此无粘接电极用于超级电容器,具体内容如下:
(1)采用静电纺丝法制备聚丙烯腈(PAN )和烯丙基聚乙二醇( APEG)的纳米纤维, 通过预氧化、炭化得到氮掺杂多孔碳纳米纤维, 并研究其超级电容性能。结果表明:APEG 作为致孔剂对碳纳米纤维的比表面积和电化学性能均有影响。当 APEG 的添加量为 PAN 量的 50%所得的碳纳米纤维的比表面高达 753 m2 /g , N 含量达到 %。用做超级电容器电极时,在 A/g 的电流密度下比电容可达 302 F/g,电流密度增大 200 倍时比电容仅下降 50%;在电流密度为 10 A/g 时循环
2000 次后比电容仅损失 %。
(2)采用静电纺丝法制备聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)纳米纤维,经过多步预氧化再碳化得到氮掺杂多孔碳纳米纤维。通过比较发现,PVP 为 8%,在 850 oC 下炭化时所得碳纳米纤维(PVP8- 850)的比表面积高达 680 m2 /g,同时 XPS 还显示其 N 含量达 %。用做超级电容器电极时,在电流密度为 A/g 下比电容达到 290 F/g,50 A/ g 时电容仍保持在 F/g,在 10 A/ g 下经过 2000 次充放电循环以后比电容仅损失 %。
(3)通过静电纺丝方法制备了 PVP/乙酸钴的前驱体纤维, 经过预氧化和炭化过程后得到 Co3O4 /C 纳米纤维。采用三电极研究了 Co3O4 /C 纳米纤维的电化学性能,并研究了 Co3O4 /C 纳米纤维为正极、碳纳米纤维为负极的非对称电容器电化学性能。 XRD 衍射峰和 XPS 证明了 Co3 O4 的存在。三电极法测得 Co3O4 /C 纳米纤维电极的电化学性能比较好,在电流密度为 A/ g 时,电极电容达到 314 F/g。增大到 10 A/g 时比电容保持率为 %。制备的非对称电容器在电压窗口为 V 下能稳定工作,在电流密度为 A/ g 时, 比电容为 251 F/g,当电流密度增大到 20 A/g 时,电容的保持率仅为 34%。在 V 的电压窗口下,在 10 A/g 下经过 1000 次循环以后, 电容的保持率仍然有 87%。
关键词:静电纺丝,PAN ,PVP,氮掺杂,超级电容器
II
Abstract
Electrospinning can prepare cont in uous polymer fiber simp ly a nd convenie nt ly, after furt her pre- oxidat ion a nd the high- temperature carbonizatio n, carbon nano fiber film can be obtained. We can fabricate carbon na nofiber films w ith d ifferent microstruct ure by us ing differe