静电纺丝制备V 2 O 5 /C纳米复合材料及其储能性能研究
发布时间：2021-01-28 20:49
超级电容器是一种新型的绿色大容量储能设备,其性能优于电池等传统储能方式,具有比容量高,充放电速度快,对环境无污染,使用寿命长等特点。因此,超级电容器具有很强的应用价值。超级电容器的性能主要取决于电极材料要求。近些年来,金属氧化物在超级电容器方面的应用已经成为了研究的热点。因此,本文选用五氧化二钒（V2O5）和碳纳米纤维（CNFs）、碳微球（CMSs）复合电极材料的制备及其电化学性能进行了详细研究。本文的主要内容分为以下几个方面:（1）碳微球,碳纳米纤维的合成及表征原料为单一的聚丙烯腈用静电纺丝法控制合成条件制备碳微球,纳米碳纤维,并通过扫描电镜（SEM）、X-射线能谱（XRD）对电极材料的结构及微观形貌进行了表征和分析,结果表明成功合成实心纳米碳球,纳米碳纤维。（2）V2O5/CNFs复合电极材料的制备及表征采用静电纺丝法控制V2O5添加比例制备V2O5/CNFs用作超级电容器电极材料。采用扫描电镜、透射电镜（T...
【文章来源】：辽宁科技大学辽宁省
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）双电层超级电容器和（b）赝电容超级电容器的储能机理示意图
大电压，电场力随之变大，在针头尖端的小液滴受电场力作用，导电聚合物小液滴半球型表面被静电力拉扯呈现圆锥形，此时的小圆锥我们称为Taylor锥[119]。继续加大电压，电场力随之变大，当电场力大小超过临界值时，电场力克服导电聚合物小液滴的液体表面张力，在表面出现一股射流，射流由带有正电的针头尖端射出，此时射流带正电穿过静电场，到达连接负高压的接收装置。射流穿过静电场时，受到电场力作用会有一个加速过程，在加速过程中射流会在电场中拉伸，形成纳米纤维，在接收装置上呈现一种大片的布状的纳米纤维[120]。图1.2静电纺丝原理示意图Fig.1.2Schematicdiagramofelectrospinning1.4.3静电纺丝应用国内外出现多种纳米纤维合成方法，先后出现有模板聚合法、熔喷法、裂膜纤维法、裂膜熔喷、静电纺丝法等。模板聚合法是最先出现的纳米纤维复合方法，以纤维状物质为原料模板，在原料表面发生生长或其它反应，形成纳米纤维，但反应复杂，结构难控制。熔喷法主要借助高速热气使熔体迅速拉伸，形成纳米纤维，这种方法工艺原理简单但对设备加工装配精度要求高。裂膜纤维法是利用高聚物薄膜单向拉伸形成纳米纤维，几家美国公司应用这一方法投入生产，如金百利公司的裂膜熔喷纤维[121-123]和Fiberweb公司制备的纺粘中空纤维[94]。静电纺丝法出现后，大众聚焦这一新技术。静电纺丝法因为其原理简单，易操作，原料多样等优点逐渐被各个研发机构重视。静电纺丝法制备的纳米纤维具有结构均匀，直径可控且范围广等优点。当纤维纤度达到0.3旦（直径5微米）以下称为超细纤维，此时会出现微纤效应，即纤维在质量和性能上出现一个新的飞跃[110]。纳米纤维具有极大的比表面积、体积比，它形成网毡上有很多微孔，应用于电极材料上时电极材料表面会
2.实验部分18图2.1三电极测试示意图Fig.2.1Schematicdiagramofthreeelectrodetest（1）循环伏安测试循环伏安测试主要用于研究电极材料活性，氧化还原电位，电极材料发生的氧化还原反应可逆性等电化学性能。进行循环伏安测试时，先选取一个初始电位与终止电位，初始电位与终止电位的选择通常为不发生氧化还原反应的电位，随后按照设定的扫描速度从初始电位到终止电位，再以同样的扫速从终止电位回扫到初始电位，得到的电流电压曲线为循环伏安曲线。通过对循环伏安曲线的分析可以研究材料的电化学性能，如①循环伏安曲线通过氧化峰和还原峰的峰电位及峰电位对称程度判断该电化学反应的可逆程度。循环伏安曲线出现的氧化还原峰对称说明氧化还原反应是可逆的，其中峰电流之比的绝对值约为1，|ipc/ipa|≈1(ipc阴极峰电流、ipa阳极峰电流)。峰电位之差约为60mV(25℃)，ΔEp=|Epa-Epc|≈60mV(阴极峰电流Epc与阳极峰电流Epa之差)；若循环伏安曲线出现的氧化还原峰不对称则说明反应不可逆[115]。②通过对曲线进行分析与计算，可以判断电极材料电容属性、发生反应的可逆性以及超级电容器的比容量，公式2.1：VmC△SidVm(2.1)其中Cm为材料比电容，单位Fg-1；V为电压窗口，单位V；s为扫速，单位Vs-1；m为电极材料质量，单位g。③对比分析电极材料在不同扫速下循环伏安测试曲线，不同扫速循环伏安曲
【参考文献】：
期刊论文
[1]Microporous carbon nanofibers prepared by combining electrospinning and phase separation methods for supercapacitor[J]. Chang Liu,Yongtao Tan,Ying Liu,Kuiwen Shen,Bowu Peng,Xiaoqin Niu,Fen Ran. Journal of Energy Chemistry. 2016(04)
[2]新型二维晶体MXene的研究进展[J]. 孙丹丹,胡前库,李正阳,王李波,周爱国,吴庆华. 人工晶体学报. 2014(11)
[3]钛双极片上网印导电聚合物——碳纳米管复合物及其在水型不对称超级电容器中的电化学性能（英文）[J]. 周晓航,陈政. 电化学. 2012(06)
[4]Fabrication of Fluorescent Porphyrin/Polystyrene Composite Nanospheres by Electrospinning[J]. SONG Yan1,2, ZHAN Nai-qian1, YU Miao1, YANG Qing-biao1, ZHANG Chao-qun1 and LI Yao-xian1 1. College of Chemistry, Jilin University, Changchun 130021, P. R. China; 2. School of Chemical and Material Engineering, Jilin Institute of Chemical Techology, Jilin 132022, P. R. China. Chemical Research in Chinese Universities. 2010(01)
[5]混合型超级电容器的封装结构及其温度场研究[J]. 张莉,宋金岩,邹积岩. 电子元件与材料. 2005(11)
[6]40V混合型超级电容器单元的研制[J]. 张莉,邹积岩,郭莹,王泉水. 电子学报. 2004(08)
[7]超级电容器研究及其应用[J]. 朱磊,吴伯荣,陈晖,刘明义,简旭宇,李志强. 稀有金属. 2003(03)
[8]新型氧化镍超电容器电极材料的研究[J]. 王晓峰,孔祥华. 无机材料学报. 2001(05)
[9]新型超大容量电容器电极材料—纳米水合MnO2的研究[J]. 闪星,董国君,景晓燕,张密林. 无机化学学报. 2001(05)
[10]氧化镍超电容器的研究[J]. 王晓峰,孔祥华,刘庆国,解晶莹. 电源技术. 2001(03)
硕士论文
[1]超级电容器用中孔炭和中孔炭复合材料的制备及性能研究[D]. 李娜.湘潭大学 2009
[2]氢氧化镍和氧化镍的制备及超级电容性能研究[D]. 舒畅.哈尔滨工程大学 2007
[3]超级电容器炭电极材料的制备和应用研究[D]. 程庚金生.同济大学 2007
本文编号：3005671
【文章来源】：辽宁科技大学辽宁省
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）双电层超级电容器和（b）赝电容超级电容器的储能机理示意图
大电压，电场力随之变大，在针头尖端的小液滴受电场力作用，导电聚合物小液滴半球型表面被静电力拉扯呈现圆锥形，此时的小圆锥我们称为Taylor锥[119]。继续加大电压，电场力随之变大，当电场力大小超过临界值时，电场力克服导电聚合物小液滴的液体表面张力，在表面出现一股射流，射流由带有正电的针头尖端射出，此时射流带正电穿过静电场，到达连接负高压的接收装置。射流穿过静电场时，受到电场力作用会有一个加速过程，在加速过程中射流会在电场中拉伸，形成纳米纤维，在接收装置上呈现一种大片的布状的纳米纤维[120]。图1.2静电纺丝原理示意图Fig.1.2Schematicdiagramofelectrospinning1.4.3静电纺丝应用国内外出现多种纳米纤维合成方法，先后出现有模板聚合法、熔喷法、裂膜纤维法、裂膜熔喷、静电纺丝法等。模板聚合法是最先出现的纳米纤维复合方法，以纤维状物质为原料模板，在原料表面发生生长或其它反应，形成纳米纤维，但反应复杂，结构难控制。熔喷法主要借助高速热气使熔体迅速拉伸，形成纳米纤维，这种方法工艺原理简单但对设备加工装配精度要求高。裂膜纤维法是利用高聚物薄膜单向拉伸形成纳米纤维，几家美国公司应用这一方法投入生产，如金百利公司的裂膜熔喷纤维[121-123]和Fiberweb公司制备的纺粘中空纤维[94]。静电纺丝法出现后，大众聚焦这一新技术。静电纺丝法因为其原理简单，易操作，原料多样等优点逐渐被各个研发机构重视。静电纺丝法制备的纳米纤维具有结构均匀，直径可控且范围广等优点。当纤维纤度达到0.3旦（直径5微米）以下称为超细纤维，此时会出现微纤效应，即纤维在质量和性能上出现一个新的飞跃[110]。纳米纤维具有极大的比表面积、体积比，它形成网毡上有很多微孔，应用于电极材料上时电极材料表面会
2.实验部分18图2.1三电极测试示意图Fig.2.1Schematicdiagramofthreeelectrodetest（1）循环伏安测试循环伏安测试主要用于研究电极材料活性，氧化还原电位，电极材料发生的氧化还原反应可逆性等电化学性能。进行循环伏安测试时，先选取一个初始电位与终止电位，初始电位与终止电位的选择通常为不发生氧化还原反应的电位，随后按照设定的扫描速度从初始电位到终止电位，再以同样的扫速从终止电位回扫到初始电位，得到的电流电压曲线为循环伏安曲线。通过对循环伏安曲线的分析可以研究材料的电化学性能，如①循环伏安曲线通过氧化峰和还原峰的峰电位及峰电位对称程度判断该电化学反应的可逆程度。循环伏安曲线出现的氧化还原峰对称说明氧化还原反应是可逆的，其中峰电流之比的绝对值约为1，|ipc/ipa|≈1(ipc阴极峰电流、ipa阳极峰电流)。峰电位之差约为60mV(25℃)，ΔEp=|Epa-Epc|≈60mV(阴极峰电流Epc与阳极峰电流Epa之差)；若循环伏安曲线出现的氧化还原峰不对称则说明反应不可逆[115]。②通过对曲线进行分析与计算，可以判断电极材料电容属性、发生反应的可逆性以及超级电容器的比容量，公式2.1：VmC△SidVm(2.1)其中Cm为材料比电容，单位Fg-1；V为电压窗口，单位V；s为扫速，单位Vs-1；m为电极材料质量，单位g。③对比分析电极材料在不同扫速下循环伏安测试曲线，不同扫速循环伏安曲
【参考文献】：
期刊论文
[1]Microporous carbon nanofibers prepared by combining electrospinning and phase separation methods for supercapacitor[J]. Chang Liu,Yongtao Tan,Ying Liu,Kuiwen Shen,Bowu Peng,Xiaoqin Niu,Fen Ran. Journal of Energy Chemistry. 2016(04)
[2]新型二维晶体MXene的研究进展[J]. 孙丹丹,胡前库,李正阳,王李波,周爱国,吴庆华. 人工晶体学报. 2014(11)
[3]钛双极片上网印导电聚合物——碳纳米管复合物及其在水型不对称超级电容器中的电化学性能（英文）[J]. 周晓航,陈政. 电化学. 2012(06)
[4]Fabrication of Fluorescent Porphyrin/Polystyrene Composite Nanospheres by Electrospinning[J]. SONG Yan1,2, ZHAN Nai-qian1, YU Miao1, YANG Qing-biao1, ZHANG Chao-qun1 and LI Yao-xian1 1. College of Chemistry, Jilin University, Changchun 130021, P. R. China; 2. School of Chemical and Material Engineering, Jilin Institute of Chemical Techology, Jilin 132022, P. R. China. Chemical Research in Chinese Universities. 2010(01)
[5]混合型超级电容器的封装结构及其温度场研究[J]. 张莉,宋金岩,邹积岩. 电子元件与材料. 2005(11)
[6]40V混合型超级电容器单元的研制[J]. 张莉,邹积岩,郭莹,王泉水. 电子学报. 2004(08)
[7]超级电容器研究及其应用[J]. 朱磊,吴伯荣,陈晖,刘明义,简旭宇,李志强. 稀有金属. 2003(03)
[8]新型氧化镍超电容器电极材料的研究[J]. 王晓峰,孔祥华. 无机材料学报. 2001(05)
[9]新型超大容量电容器电极材料—纳米水合MnO2的研究[J]. 闪星,董国君,景晓燕,张密林. 无机化学学报. 2001(05)
[10]氧化镍超电容器的研究[J]. 王晓峰,孔祥华,刘庆国,解晶莹. 电源技术. 2001(03)
硕士论文
[1]超级电容器用中孔炭和中孔炭复合材料的制备及性能研究[D]. 李娜.湘潭大学 2009
[2]氢氧化镍和氧化镍的制备及超级电容性能研究[D]. 舒畅.哈尔滨工程大学 2007
[3]超级电容器炭电极材料的制备和应用研究[D]. 程庚金生.同济大学 2007
本文编号：3005671
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