氮摻雜納米碳纖維及其復(fù)合電極材料的制備與電化學(xué)性能研究.pdf

1、本文用三聚氰胺為改性劑，以聚丙烯腈為納米碳纖維前驅(qū)體，配置了三聚氰胺/聚丙烯腈/N，N-二甲基甲酰胺的乳濁液紡絲液體系，成功實(shí)現(xiàn)了乳濁液的靜電紡絲，制備了三聚氰胺改性聚丙烯腈基復(fù)合有機(jī)微納米纖維膜;結(jié)合聚丙烯腈基納米碳纖維的預(yù)氧化和碳化工藝制備了氮摻雜交聯(lián)多孔的納米碳纖維膜;最后以納米碳纖維作為導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)骨架，通過水熱法制備了氫氧化鎳/納米碳纖維二元復(fù)合電極材料。通過一系列的表征方法，對(duì)上述材料的結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行了表征，并研究有機(jī)復(fù)合纖維膜的

2、親疏水性能和力學(xué)性能，對(duì)納米碳纖維及其復(fù)合材料的電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。主要工作如下:
　　首先，研究了紡絲液的性質(zhì)以及紡絲工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合納米纖維形貌的影響，通過光學(xué)金相顯微鏡對(duì)所紡制纖維形貌的考察，得到制備優(yōu)質(zhì)復(fù)合納米纖維的紡絲條件為:紡絲液的粘度在600～1600 mPa.s;紡絲電場(chǎng)強(qiáng)度在1～1.33 kV/cm;紡絲液流速在0.50～1.00mL/h范圍內(nèi)。通過對(duì)纖維膜的結(jié)構(gòu)形貌分析確定了三聚氰胺被成功添加進(jìn)入纖維里面。使用

3、微機(jī)控制電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試了纖維膜樣條的力學(xué)性能，測(cè)試表明紡絲液粘度越大，三聚氰胺含量越低，復(fù)合纖維膜的力學(xué)性能越好。接觸角測(cè)試表明，復(fù)合纖維膜在三聚氰胺改性前后，表面對(duì)水的浸潤性發(fā)生了顯著變化，由疏水性膜材料轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性膜材料，且三聚氰胺含量越多親水性能越好。
　　其次，通過對(duì)預(yù)氧化機(jī)理、熱失重曲線和預(yù)氧化纖維膜光學(xué)圖像的分析，確定了預(yù)氧化的工藝條件為:以3℃/min升溫到290℃并保溫90 min可得到交聯(lián)的預(yù)氧絲，通過F

4、TIR、XRD、Raman和SEM的表征方法對(duì)不同溫度下預(yù)氧絲的結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行分析為下一步碳化做準(zhǔn)備。通過XPS、SEM、BET和有機(jī)元素分析儀等對(duì)納米碳纖維進(jìn)行分析得出:三聚氰胺的改性，可以有效實(shí)現(xiàn)納米碳纖維的高氮含量摻雜和納米碳纖維結(jié)構(gòu)形貌的控制。高氮含量和多孔結(jié)構(gòu)的納米碳纖維有著優(yōu)異的電化學(xué)性能，通過三電極體系測(cè)試了其電化學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)CNFM2電極材料在0.05 A/g電流密度下的比電容可達(dá)194F/g，在2A/g電流密度下，經(jīng)過1

5、000次循環(huán)充放電后的電容保持率為99.20％，具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　最后，研究了不同的水熱反應(yīng)時(shí)間、不同反應(yīng)溫度、不同基體負(fù)載材料和負(fù)載基體不同的預(yù)處理方式對(duì)復(fù)合電極材料電化學(xué)電容性能的影響。根據(jù)電極材料電化學(xué)性能的變化，確定水熱反應(yīng)的條件。在優(yōu)化水熱工藝的條件下，通過控制投料比實(shí)現(xiàn)了不同含量納米碳纖維/氫氧化鎳復(fù)合電極材料的制備，研究了納米碳纖維含量對(duì)氫氧化鎳/納米碳纖維復(fù)合電極材料結(jié)構(gòu)形貌和電化學(xué)性能的影響。通過FTI