電紡多孔富氮碳纖維的制備及其電化學(xué)性能的研究.pdf

1、超級(jí)電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的新型儲(chǔ)能器件，具有電容量大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、充放電時(shí)間快、功率密度高和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。隨著社會(huì)的發(fā)展，超級(jí)電容器作為新型儲(chǔ)能器由于其優(yōu)越的性能受到研究者們?cè)絹?lái)越多的重視，在新能源汽車(chē)，國(guó)防航天、傳感器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。電極材料是超級(jí)電容器的核心部分，是決定超級(jí)電容器性能的關(guān)鍵，因此，制備高性能的電極材料是超級(jí)電容器研究的重點(diǎn)。碳材料是目前應(yīng)用最多的超級(jí)電容器電極材料，其具有比表面積大，孔結(jié)

2、構(gòu)可控，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，另外碳材料來(lái)源廣泛，生產(chǎn)成本低。靜電紡絲提供了一種成本低廉、簡(jiǎn)便高效制備碳纖維及復(fù)合纖維的方法，且纖維直徑可調(diào)。
　　本文選用聚丙烯腈(PAN)作為紡絲前驅(qū)體，以三聚氰胺作為氮源，將三聚氰胺合成密胺樹(shù)脂(MF)以溶解于紡絲液中，通過(guò)靜電紡絲制備纖維原絲，再經(jīng)過(guò)預(yù)氧化、碳化制備出富氮碳纖維，通過(guò)將富氮碳纖維活化，在紡絲前驅(qū)體中加入造孔劑等方法制備多孔富氮碳纖維，采用掃描電鏡(SEM)、X射線(xiàn)衍射儀(XRD

3、)、X光電子能譜(XPS)、N2吸脫附等測(cè)試方法對(duì)纖維的物理和化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了表征分析。將制得的碳纖維制成電極，采用循環(huán)伏安法和恒電流充放電法對(duì)碳纖維進(jìn)行了電化學(xué)測(cè)試。其主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　通過(guò)靜電紡絲制備出了不同MF摻雜量的纖維原絲，MF摻雜量依次為0％、25％、50％和75％，在250℃下預(yù)氧化，800℃碳化后制得了富氮碳纖維。表征結(jié)果表明:紡絲液中摻雜MF后依然可制得纖維，但直徑有所變粗，碳化后纖維直徑減小;碳纖維均為無(wú)定

4、型石墨結(jié)構(gòu);碳纖維表面的氮元素含量隨著MF摻雜量的增大而增大，當(dāng)摻雜量為75％時(shí)，碳纖維表面的氮含量高達(dá)12.1％。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)MF摻雜量為75％的碳纖維表現(xiàn)出最好的電化學(xué)性能:1A/g電流密度下比電容為144F/g，遠(yuǎn)高于未摻雜MF的純PAN碳纖維;在10A/g電流密度下比電容為85F/g，與1A/g電流密度下相比保持了60％的比電容，具有良好的倍率性能。
　　將制得的PAN和MF(75)/PAN富氮碳纖維浸泡在KOH溶液

5、中，再在800℃下活化30min以制取多孔富氮碳纖維。表征結(jié)果表明:活化后的碳纖維仍為無(wú)定型石墨結(jié)構(gòu)，且石墨化程度有所降低。由于KOH的加入以及二次高溫處理使得活化后碳纖維表面的氮元素含量下降，但氧元素含量略微增加。KOH活化后極大的提高了纖維的比表面積，其中活化后PAN碳纖維的比表面積從原來(lái)的6m2/g提高到了868m2/g，活化后MF/PAN碳纖維的比表面積從原來(lái)的58m2/g增大到了453m2/g，纖維中的微孔和中孔數(shù)量也大大增加

6、。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明活化后兩纖維的電化學(xué)性能都優(yōu)于活化前，其中由于含氮官能團(tuán)和孔結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，使得(A)MF/PAN碳纖維具有最出眾的電化學(xué)性能，在1A/g電流密度下比電容高達(dá)255F/g，且在10A/g電流密度下比電容為209F/g，比電容保持率高達(dá)82％。
　　在紡絲前驅(qū)體中加入聚乙二醇作為造孔劑，通過(guò)靜電紡絲、預(yù)氧化、碳化得到多孔富氮碳纖維。表征結(jié)果表明:聚乙二醇的加入不會(huì)改變碳纖維表面的元素含量;聚乙二醇在高溫下熱解成氣