木质素基复合碳纳米纤维应用于电化学电容器电极材料的研究

发布时间：2017-09-12 04:00

  本文关键词：木质素基复合碳纳米纤维应用于电化学电容器电极材料的研究

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【摘要】：木质素作为在数量上仅此于纤维素的第二大植物生物质原料,是最丰富的天然芳香族高分子。根据木质素含碳量高且天然具有苯环结构,将其作为碳纤维的原材料,应用于新型储能设备电化学电容器的电极材料中,是一项较有前景的研究。本研究以毛竹乙酸木质素为基本原料作为碳纤维的前体物质,同时加入乙酰丙酮铁作为赝电容活性物质过渡金属氧化物的前体物质,通过静电纺丝制备得到乙酰丙酮铁复合木质素纳米原丝,再通过预氧化、碳化等手段制备得到铁氧物复合木质素基碳纳米纤维(Iron oxide decorated lignin-based carbon nano-fibers,IO-LCNFs)。利用热重、扫描电镜、透射电镜等测试方法研究复合木质素纳米纤维原丝的热力学性质以及复合碳纳米纤维的形貌进而推断其在预氧化及碳化过程中的反应;利用X-射线衍射、光电子能谱和拉曼散射等测试方法研究复合碳纳米纤维中铁氧物颗粒的组成。然后以IO-LCNFs作为电化学电容器电极材料的活性物质,通过循环伏安测试、恒流充放电测试、电化学阻抗测试等方法研究其作为电化学电容器电极材料的机理反应、比电容大小、阻抗大小以及其循环性能。同时,也通过对IO-LCNFs进行水蒸气活化处理,研究开孔后的复合碳纳米纤维(Activated iron oxide decorated lignin-based carbon nano-fibers,A-IO-LCNFs)作为电极材料的电化学性能。结果表明:(1)未添加乙酰丙酮铁的纳米纤维原丝在预氧化过程中发生熔融行为;当所添加乙酰丙酮铁含量达到10%及以上时,IO-LCNFs可以保持良好的纤维形态,纤维直径为300~500nm,且纤维表面出现直径约为30~60nm的铁氧物颗粒物质;当所添加乙酰丙酮铁含量为15%时,IO-LCNFs的碳层有序度最高;当所添加乙酰丙酮铁含量高达20%及以上时,IO-LCNFs表面布满颗粒物质,且其纤维内部也富含颗粒物质;IO-LCNFs中的颗粒物质为铁、四氧化三铁以及氧化铁的混合物;(2)在电化学性能测试中,当以1mol/L Na_2SO_4为电解液时,所有IO-LCNFs均只显示出双电层电容性能,比电容大小仅为9~20 F/g,铁氧物并未呈现赝电容性能;当以1mol/L Na_2SO_3为电解液时,电极物质发生氧化还原反应,其中乙酰丙酮铁含量添加量为20%的IO-LCNFs-20氧化还原反应最为明显,比电容值最高,为72.1F/g。(3)对IO-LCNFs进行水蒸气活化开孔得到A-IO-LCNFs,再应用于电化学电容电极材料。铁氧物含量较少的碳纤维进行水蒸气活化开孔有助于比表面积的提高,铁氧物含量较多的碳纤维进行水蒸气活化会降低其比表面积。其中IO-LCNFs-10和IO-LCNFs-15在活化开孔之后,纤维出现若干缺陷孔洞,A-IO-LCNFs-10纤维表面微孔和介孔均增多,比表面积由344.63m~2/g上升至566.45m~2/g。在电极测试中双电层电容明显,且比电容值有较大提高,A-IO-LCNFs-10和A-IO-LCNFs-15分别由原先的26.5F/g、35.5F/g提升至51.4F/g、42.4F/g;IO-LCNFs-20和IO-LCNFs-25在活化开孔之后,纤维表面出现了结晶颗粒物质,且后者的纤维形态遭到破坏,A-IO-LCNFs-20纤维介孔增多、微孔减少,比表面积由335.44m~2/g减少至273.80m~2/g。A-IO-LCNFs-20和A-IO-LCNFs-25的比电容值由72.1F/g、55.7F/g分别降至38.5F/g、3.4F/g。由此可以得出,当IO-LCNFs中铁氧物含量较少时,乙酰丙酮铁主要作为碳纤维的定型物质,对其进行活化开孔时,主要针对碳纤维表面开孔,有助于提高电极材料的表面积和孔隙率,进而提升其电容性能;而当IO-LCNFs中铁氧物含量较多时,其作为赝电容活性材料时具有良好的赝电容性能,但在经历水蒸气活化后,铁氧物结晶成大颗粒物质,电解液较难渗入电极活性物质,同时碳纤维结构遭到破坏,导致纤维比表面积下降,因此其电容性能明显降低。
【关键词】：木质素 电化学电容器 碳纤维 静电纺丝
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM53;TB383.1
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.1.1 木质素研究背景与意义12-13
• 1.1.2 电化学电容器研究背景与意义13
• 1.2 木质素基碳纤维概述13-18
• 1.2.1 木质素的高值化利用研究13-15
• 1.2.2 碳纳米纤维的应用及研究现状15-16
• 1.2.3 木质素基碳纤维研究现状16-18
• 1.3 电化学电容器概述18-22
• 1.3.1 电化学电容器的特点及应用19
• 1.3.2 电化学电容器的分类及储能机理19-20
• 1.3.3 电极材料研究进展20-21
• 1.3.4 铁氧物复合碳材料应用于电极材料21-22
• 1.4 本文研究目标与内容22-24
• 第二章 木质素基复合碳纳米纤维的制备24-42
• 2.1 实验材料与仪器24-25
• 2.1.1 原料与试剂24-25
• 2.1.2 实验仪器25
• 2.2 实验方法25-27
• 2.2.1 乙酸木质素的精制25
• 2.2.2 纺丝液的配制25-26
• 2.2.3 复合纳米纤维的静电纺丝制备26
• 2.2.4 复合纳米纤维的预氧化26-27
• 2.2.5 复合预氧化纤维的碳化27
• 2.3 分析与表征27-28
• 2.3.1 复合纳米纤维的热力学分析27
• 2.3.2 扫描电子显微镜分析27
• 2.3.3 透射电子显微镜分析27
• 2.3.4 X射线衍射光谱分析27-28
• 2.3.5 X射线光电子能谱分析（XPS）28
• 2.3.6 红外光谱分析28
• 2.3.7 拉曼光谱分析28
• 2.4 结果与讨论28-40
• 2.4.1 复合碳纳米纤维形貌分析28-31
• 2.4.2 复合纳米纤维原丝的热重分析31-34
• 2.4.3 复合纳米纤维原丝及其预氧化纤维的红外分析34-35
• 2.4.4 复合碳纳米纤维中铁氧物组成分析35-38
• 2.4.5 复合碳纳米纤维的碳结构分析38-40
• 2.5 本章小结40-42
• 第三章 复合碳纳米纤维应用于电化学电容器电极材料的研究42-56
• 3.1 实验材料与仪器42-43
• 3.1.1 原料与试剂42
• 3.1.2 实验仪器42-43
• 3.2 实验方法43-45
• 3.2.1 工作电极的制备43
• 3.2.2 电化学性能测试43-45
• 3.3 结果与讨论45-54
• 3.3.1 Na_2SO_4体系下的电化学性能测试45-50
• 3.3.2 不同铁氧物含量在Na_2SO_3体系下的电化学性能测试50-54
• 3.4 本章小结54-56
• 第四章 活化复合碳纳米纤维应用于电极材料的研究56-73
• 4.1 实验材料与仪器56-57
• 4.1.1 原料与试剂56
• 4.1.2 实验仪器56-57
• 4.2 实验方法57-58
• 4.2.1 复合碳纳米纤维的水蒸气活化开孔57
• 4.2.2 复合碳纳米纤维的电化学性能测试57-58
• 4.3 分析与表征58-59
• 4.3.1 扫描电子显微镜测试58
• 4.3.2 X射线光电子能谱分析58
• 4.3.3 拉曼光谱分析58
• 4.3.4 比表面积及孔隙率测试58-59
• 4.4 结果与讨论59-72
• 4.4.1 活化复合碳纳米纤维形貌变化59-61
• 4.4.2 活化复合碳纳米纤维铁氧物组成及碳层结构变化61-62
• 4.4.3 复合碳纳米纤维活化与否的比表面积及孔径分布分析62-68
• 4.4.4 活化复合碳纳米纤维的电化学性能测试68-72
• 4.5 本章小结72-73
• 总结73-76
• 本研究主要成果73-74
• 本研究的创新之处74-75
• 展望75-76
• 参考文献76-80
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果80-81
• 致谢81-82
• Ⅳ-2答辩委员会对论文的评定意见82

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