电纺碳纳米纤维的结构调控及其储锂性能的研究
发布时间：2020-12-27 00:38
以聚丙烯腈（PAN）为原料,经静电纺丝、稳定化和碳化,制备了碳纳米纤维（CNFs）,并掺入磺化石墨烯（SG）进行结构调控,制备出SG/CNFs复合材料。采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）对碳纳米纤维的形貌和结构进行了表征,通过循环伏安（CV）、充放电测试、电化学阻抗（EIS）等方法对其作为锂离子电池负极材料进行电化学性能测试。系统研究了氮的种类及含量对材料结构及锂离子电池（LIBs）中Li+的储存性能和负极容量的影响。主要研究结果如下:（1）以PAN为原料制备的CNFs,碳化过程中从无定形碳向石墨化碳结构转变,含氮官能团减少,材料的结构变化对Li+在CNFs电极中的存储位置有很大影响。Li+不仅可以储存在石墨化碳层之间,而且还可以储存在氮功能化引起的缺陷部位,后者主要是由于碳材料的氮掺杂而使LIBs的电化学性能改善。其分子结构与Li+的储存行为和负极材料的电化学性能有很强的相关性。在高温下...
【文章来源】：武汉科技大学湖北省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)多壁碳纳米管；(b)片层石墨烯；(c)鱼骨状石墨烯；(d)带状石墨烯；(e)叠杯形碳纳米管和(f)无石墨烯层的非晶碳纳米管的结构
武汉科技大学硕士学位论文5(a)(b)图1.2(a)静电纺丝装置简图和(b)Taylor锥的形成Figure1.2Schematicdrawingsof(a)electrospinningdeviceand(b)formationofTaylorconeunderincreasingvoltage1.2.2聚合物前驱体的类型在静电纺丝过程中，能够成功生产纤维的最佳条件与前驱体密切相关，前驱体也会影响最终纤维的结构，如直径和长度。用于储能装置的前驱体主要是溶解在溶剂中的聚合物。根据前驱体所起的作用，可以分为两组，即主前驱体和副前驱体。主前驱体作为纤维结构的支架，通常在惰性气体中经过碳化形成CNFs，如聚丙烯腈(PAN)和聚酰亚胺(PI)。副前驱体是一种牺牲物相，可在热处理后移除，以创造特殊的结构，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚苯乙烯(PS)。使用副前驱体的最广泛的目的之一是产生容纳各种金属(氧化物)的空隙空间，这将在1.3.4节讨论。PAN通常被电纺成各种直径的高质量纤维，再被转化成碳纳米纤维，如后面1.4.1节所述。纤维的形态(即直径和均匀性)对溶液性质、操作条件、环境等纺丝参数很敏感，但溶液性质占主导地位。一般来说，其直径随着聚合物浓度的降低和溶液导电性的增加而显著减校但是到目前为止，将PAN聚合物电纺成直径只有几纳米的均匀纳米纤维仍然是困难的。此外，可以将CNT嵌入到PAN纤维中，来提高机械性能、热稳定性和导电性[29,30]。将PAN溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，研究聚合物溶液的浓度以及浸入溶液的电极与目标电极之间施加的直流电压对PAN纳米纤维直径的影响。溶液浓度控制合成纤维的直径，如图1.3(a)所示。另外，纳米纤维直径的影响还取决于PAN的分子量和聚合物溶液的缠结密度[31]，施加的
武汉科技大学硕士学位论文6电压对纤维直径没有明显影响，如图1.3(b)所示。图1.3PAN纤维直径与(a)纺丝前驱体溶液浓度及(b)外加电压的关系[28]Figure1.3DependencesofdiameterofPANfiberon(a)concentrationoftheprecursorsolutionand(b)appliedvoltageforspinning近年来，许多研究人员通过静电纺丝法制备了聚酰亚胺(PI)纤维[32,33]，一般采用三步：聚丙烯酸(PAA)的聚合、PAA溶液的电纺以及纤维的酰化。PAA溶液的浓度或粘度被认为是控制电纺PI纤维形态的最有效变量之一[32]，合成的PI纤维的直径从几十纳米到几百纳米不等。聚偏氟乙烯(PVDF)很容易加工成各种形状，是一种热塑性聚合物。将PVDF加入DMF和丙酮(8/2)的混合溶液中，形成15wt%的溶液，制备出直径为50~300nm的PVDF纤维网[34]。聚乙烯醇(PVA)是一种水溶性多羟基聚合物，在基础研究中作为碳前驱体使用，尽管它在高温下容易分解，碳产率低。不同直径(50~250nm)的PVA纳米纤维很容易从7~15wt%的水溶液中电纺出来[35]。与PVA相比，沥青(pitch)作为碳纳米纤维的前驱体具有碳产率高、成本低等优点。然而，对于沥青，必须选择合适的溶剂，将沥青溶解到足够高的浓度，并具有适当的蒸发点，用于静电纺丝。将石油衍生的各向同性沥青溶于四氢呋喃(THF)溶剂或DMF和THF的二元溶剂中进行纺丝，可使沥青转化为碳纳米纤维[36]。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚苯乙烯(PS)是电纺丝中最常用的牺牲相聚合物。
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳纳米管掺杂及其应用技术研究进展[J]. 安立宝,董帅. 南京工业大学学报(自然科学版). 2019(03)
硕士论文
[1]钴（钴铁）-氮掺杂碳纳米纤维的制备及其电催化性能研究[D]. 易梦婷.华南理工大学 2019
[2]硅基和二氧化硅基纳米复合负极材料的研究[D]. 刘雪莲.湖南大学 2016
本文编号：2940753
【文章来源】：武汉科技大学湖北省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)多壁碳纳米管；(b)片层石墨烯；(c)鱼骨状石墨烯；(d)带状石墨烯；(e)叠杯形碳纳米管和(f)无石墨烯层的非晶碳纳米管的结构
武汉科技大学硕士学位论文5(a)(b)图1.2(a)静电纺丝装置简图和(b)Taylor锥的形成Figure1.2Schematicdrawingsof(a)electrospinningdeviceand(b)formationofTaylorconeunderincreasingvoltage1.2.2聚合物前驱体的类型在静电纺丝过程中，能够成功生产纤维的最佳条件与前驱体密切相关，前驱体也会影响最终纤维的结构，如直径和长度。用于储能装置的前驱体主要是溶解在溶剂中的聚合物。根据前驱体所起的作用，可以分为两组，即主前驱体和副前驱体。主前驱体作为纤维结构的支架，通常在惰性气体中经过碳化形成CNFs，如聚丙烯腈(PAN)和聚酰亚胺(PI)。副前驱体是一种牺牲物相，可在热处理后移除，以创造特殊的结构，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚苯乙烯(PS)。使用副前驱体的最广泛的目的之一是产生容纳各种金属(氧化物)的空隙空间，这将在1.3.4节讨论。PAN通常被电纺成各种直径的高质量纤维，再被转化成碳纳米纤维，如后面1.4.1节所述。纤维的形态(即直径和均匀性)对溶液性质、操作条件、环境等纺丝参数很敏感，但溶液性质占主导地位。一般来说，其直径随着聚合物浓度的降低和溶液导电性的增加而显著减校但是到目前为止，将PAN聚合物电纺成直径只有几纳米的均匀纳米纤维仍然是困难的。此外，可以将CNT嵌入到PAN纤维中，来提高机械性能、热稳定性和导电性[29,30]。将PAN溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，研究聚合物溶液的浓度以及浸入溶液的电极与目标电极之间施加的直流电压对PAN纳米纤维直径的影响。溶液浓度控制合成纤维的直径，如图1.3(a)所示。另外，纳米纤维直径的影响还取决于PAN的分子量和聚合物溶液的缠结密度[31]，施加的
武汉科技大学硕士学位论文6电压对纤维直径没有明显影响，如图1.3(b)所示。图1.3PAN纤维直径与(a)纺丝前驱体溶液浓度及(b)外加电压的关系[28]Figure1.3DependencesofdiameterofPANfiberon(a)concentrationoftheprecursorsolutionand(b)appliedvoltageforspinning近年来，许多研究人员通过静电纺丝法制备了聚酰亚胺(PI)纤维[32,33]，一般采用三步：聚丙烯酸(PAA)的聚合、PAA溶液的电纺以及纤维的酰化。PAA溶液的浓度或粘度被认为是控制电纺PI纤维形态的最有效变量之一[32]，合成的PI纤维的直径从几十纳米到几百纳米不等。聚偏氟乙烯(PVDF)很容易加工成各种形状，是一种热塑性聚合物。将PVDF加入DMF和丙酮(8/2)的混合溶液中，形成15wt%的溶液，制备出直径为50~300nm的PVDF纤维网[34]。聚乙烯醇(PVA)是一种水溶性多羟基聚合物，在基础研究中作为碳前驱体使用，尽管它在高温下容易分解，碳产率低。不同直径(50~250nm)的PVA纳米纤维很容易从7~15wt%的水溶液中电纺出来[35]。与PVA相比，沥青(pitch)作为碳纳米纤维的前驱体具有碳产率高、成本低等优点。然而，对于沥青，必须选择合适的溶剂，将沥青溶解到足够高的浓度，并具有适当的蒸发点，用于静电纺丝。将石油衍生的各向同性沥青溶于四氢呋喃(THF)溶剂或DMF和THF的二元溶剂中进行纺丝，可使沥青转化为碳纳米纤维[36]。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚苯乙烯(PS)是电纺丝中最常用的牺牲相聚合物。
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳纳米管掺杂及其应用技术研究进展[J]. 安立宝,董帅. 南京工业大学学报(自然科学版). 2019(03)
硕士论文
[1]钴（钴铁）-氮掺杂碳纳米纤维的制备及其电催化性能研究[D]. 易梦婷.华南理工大学 2019
[2]硅基和二氧化硅基纳米复合负极材料的研究[D]. 刘雪莲.湖南大学 2016
本文编号：2940753
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