電紡法制備碳和MnO 2納米纖維及其超級電容性能研究.pdf

1、超級電容器具有充放電速率快、循環(huán)壽命長、價格低廉和環(huán)保等優(yōu)點,在電動汽車、消費電子產(chǎn)品、存儲器備用電源等很多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。但是目前商用超級電容器的比能量僅為5-10 Wh/kg，遠(yuǎn)低于鋰離子電池的比能量，限制了其應(yīng)用。因此，研究制備新型電極材料以提高其比能量等性能是目前超級電容器研究領(lǐng)域的迫切任務(wù)。
　　靜電紡絲是一種制備納米尺度纖維的簡單方法，在組織工程、凈化過濾、催化、傳感器、復(fù)合材料等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。由于靜電紡絲具

2、有制備方法簡便，成本低廉，制備出的納米纖維不團(tuán)聚等優(yōu)點，其在超級電容器電極材料的制備方面具有明顯的優(yōu)勢。
　　本論文利用靜電紡絲方法制備了具有超細(xì)直徑的納米碳纖維，通過獨創(chuàng)的工藝在納米碳纖維表面制備了徑向生長的石墨烯結(jié)構(gòu)；研究了電化學(xué)處理對納米碳纖維電化學(xué)性質(zhì)的影響，建立了通過電化學(xué)處理改善納米碳纖維性能的工藝方法；以納米碳纖維為模板和還原劑，通過與高錳酸鉀（KMnO4）溶液反應(yīng)制備了蜂窩狀多孔MnO2納米纖維，研究了其形成規(guī)律及

3、結(jié)構(gòu)特征。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　研究了氨氣（NH3）氣氛中碳化溫度對納米碳纖維形貌和結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，NH3氣氛碳化有利于納米碳纖維直徑的減小，通過適當(dāng)?shù)墓に嚳刂瓶梢垣@得超細(xì)直徑的納米碳纖維。1100℃碳化獲得的納米碳纖維最細(xì)，平均直徑達(dá)到11nm，且表面有石墨烯結(jié)構(gòu)。1100℃碳化獲得的納米碳纖維作為電極材料組裝成水系超級電容器的工作電壓達(dá)到1.8 V，在450 W/kg的比功率下的比能量達(dá)到29.1 Wh/kg。5

4、000次充放電測試后比電容保持率為93.7％。1100℃下碳化獲得的納米碳纖維組裝的有機超級電容器的工作電壓為4V，1.67A/g的電流密度下獲得的比電容為111 F/g，比能量為61.9 Wh/kg。
　　研究了電化學(xué)處理對超級電容器性能的影響，發(fā)現(xiàn)對電極材料施加交替正負(fù)向電壓進(jìn)行循環(huán)處理可以有效提高超級電容器的工作電壓和比電容，建立了一種改善超級電容器性能的簡單方法。對于900℃ NH3中碳化的納米碳纖維所組裝的超級電容器，經(jīng)

5、過3000次循環(huán)處理后的超級電容器性能大幅提高，1A/g的電流密度下的比能量從0.5 Wh/kg提高到15 Wh/kg。電化學(xué)處理后的超級電容器在經(jīng)過15000次充放電后的比電容保持率為94.5%，0.2 A/g電流密度下的比能量達(dá)到19.7 Wh/kg。
　　利用納米碳纖維與KMnO4溶液反應(yīng)制備了MnO2納米纖維，研究了溶液濃度和反應(yīng)時間對MnO2產(chǎn)物形貌結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明溶液濃度和反應(yīng)時間強烈影響產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，過高濃度

6、下產(chǎn)物為核/殼結(jié)構(gòu)的C/MnO2復(fù)合納米纖維，過低濃度下的產(chǎn)物表面結(jié)構(gòu)不明顯。隨著反應(yīng)時間的增加MnO2納米纖維直徑不斷增加，內(nèi)部碳纖維直徑不斷減小，但不同濃度下的MnO2納米纖維表面的生長速度有所不同。溶液濃度為2 mM時并經(jīng)過48 h反應(yīng)制備出了蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)的MnO2納米纖維，該纖維由徑向生長的納米片組成，納米片厚度為3-7 nm。利用蜂窩狀多孔MnO2納米纖維和1 M Na2SO4電解液組裝的超級電容器具有突出的性能，工作電壓達(dá)