竹納米纖維素及其功能材料的制備與電化學(xué)性能研究.pdf

1、碳納米纖維（carbon nanofiber，CNF）是指尺寸為納米尺度的碳纖維，具有低密度、低缺陷、高孔隙率、高比表面積以及良好的力學(xué)性能和優(yōu)異的導(dǎo)電性能等特點(diǎn)。因此，CNF在電氣設(shè)備，可充電電池和超級(jí)電容器的電極材料以及化學(xué)傳感器等許多領(lǐng)域都展現(xiàn)出巨大的潛力。然而，CNF的合成主要依靠合成聚合物，如：聚丙烯腈，聚酰亞胺和聚乙烯醇的熱解來獲得。隨著化石能源日漸耗盡和全球氣候變暖，這種合成方式越來越難以滿足人們對(duì)高性能、環(huán)境友好型材料的

2、需求。以細(xì)菌纖維素為代表的可控生物質(zhì)材料是替代合成聚合物的備選方案，但是利用生物法制備細(xì)菌纖維素的工藝復(fù)雜，耗時(shí)長且成本高，限制了其工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。
　　本論文以漂白的竹漿為原料，通過簡(jiǎn)易可控的機(jī)械法處理得到不同尺寸分布的纖維素納米纖絲，然后通過高溫?zé)峤馓幚淼玫礁弑缺砻娣e的多孔納米碳材料。以鋅空氣電池、鋰離子電池為研究對(duì)象研究了碳納米纖維的電化學(xué)性能。圍繞這個(gè)目標(biāo)，本文開展了以下幾個(gè)方面的研究工作。
　　（1）利用機(jī)械法和

3、 TEMPO氧化的方法得到形貌均一且超細(xì)的竹漿纖維納米帶（ultrathin nanometer cellulose nanoribbons，Cel-NRs），通過氨氣（NH3）氛圍下高溫?zé)峤庵苽涞獡诫s的碳納米帶（N-doped carbon nanoribbons，CNRs）。在此結(jié)構(gòu)中，TEMPO的選擇性氧化使竹纖維容易進(jìn)行后續(xù)的加工處理且不會(huì)改變竹纖維原有的晶型，氮原子的引入提高了CNRs表面的活性位點(diǎn)，克服了CNRs單獨(dú)作為催化

4、劑催化氧還原反應(yīng)（oxygen reduction reaction，ORR）和鋅空氣電池氧電極催化劑材料時(shí)的缺點(diǎn)。N-CNRs高密度氮摻雜的活性位點(diǎn)（10.6at%）和超薄納米結(jié)構(gòu)使其具有良好的ORR催化活性，其起始電位、半波電位和電子轉(zhuǎn)移數(shù)都可以與商業(yè)化Pt/C催化劑相媲美，其抗甲醇性和穩(wěn)定性都優(yōu)于商業(yè)化Pt/C催化劑。N-CNRs作為鋅空氣電池氧電極催化劑材料具有高比容量（在電流密度為20mA/g時(shí)比容量為590mAhg Zn?1

5、）和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　（2）利用機(jī)械法制備了結(jié)構(gòu)可控的竹漿納米纖維，冷凍干燥制備出具有3D結(jié)構(gòu)的納米纖維素氣凝膠，通過NH3氛圍下的高溫?zé)峤夂蜌溲趸洠↘OH）活化制備了N-ACNF。其擁有高比表面積、高導(dǎo)電性、部分石墨化和分層級(jí)多孔結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。這種優(yōu)異的結(jié)構(gòu)使其作為儲(chǔ)能材料時(shí)具有快的電子傳輸速率和有效的電解液擴(kuò)散等優(yōu)勢(shì)，可作為高效多能的能源材料應(yīng)用于鋰離子電池中。竹纖維的直徑控制在～50nm時(shí)制備的樣品（N-ACNF-50