木质基纳米纤维素异质复合薄膜的制备及电容性能研究

发布时间：2020-11-20 15:26

　　 以木质基纳米纤维素(NFC)为基体制备超级电容器电极材料,发挥其在未来绿色能量储存材料中的潜能;以热聚合-溶剂刻蚀法制备层状类石墨相氮化碳(LGCN);通过真空诱导自组装法制备NFC/LGCN异质复合薄膜电极材料,初步探究其异质复合的可行性和电容性能。基于NFC/LGCN异质复合的可行性,进一步对木质基纳米纤维素功能性修饰并调控类石墨相氮化碳的微观形貌,以期提高电容性能。通过原位聚合法制备具有核-壳结构的木质基纳米纤维素并优选出最佳的核-壳结构,以此为基体;以溶剂热-热聚合法制备管状类石墨相氮化碳(TGCN);通过真空诱导自组装法制备核-壳NFC/TGCN异质复合薄膜电极材料。通过SEM、TEM、FTIR、XRD、XPS和BET等手段对样品进行表征,将所制得的NFC/LGCN和核-壳NFCyTGCN异质复合薄膜作为超级电容器电极,进行电容性能测试并分析所得数据。论文主要研究内容及结论如下:(1)NFC/LGCN异质复合薄膜的制备及电容性能初探以双氰胺为材料,以异丙醇和去离子水混合液为刻蚀剂;通过热聚合-溶剂刻蚀法制备层状类石墨相氮化碳;以木质基纳米纤维素悬浊液为基体,通过真空诱导自组装法制备不同LGCN含量的NFC/LGCN异质复合薄膜并作为超级电容器电极材料。综合来看,相比NFC/40wt%LGCN异质复合薄膜电极和LGCN电极,NFC/20wt%LGCN异质复合薄膜电极展现出良好的电容性能。其中,NFC/20wt%LGCN异质复合薄膜电极的循环伏安曲线呈现出准矩形形状,恒电流充放电曲线呈现准三角形。当电流密度为1mA/cm2时,NFC/20wt%LGCN异质复合薄膜电极的质量比电容值为51 F/g;经过2000次的充放电循环后,质量比电容值为42.43 F/g,电容保持率为83.20%,保持较高电容。(2)核-壳NFC/TGCN异质复合薄膜的制备及电容性能研究以三聚氰胺为材料,以去离子水为水热溶剂;通过溶剂热-热聚合法制备管状类石墨相氮化碳;在FeCl3·6H20存在条件下,通过原位聚合法在木质基纳米纤维素表面聚合接枝导电聚合物聚吡咯(PPy),构建出核-壳木质基纳米纤维素结构。相比PPy不同的聚合时间,聚合时间为15 h时木质基纳米纤维素纤维束表面被PPy均匀地包裹,优选为最佳的核-壳结构。以最佳的核-壳木质基纳米纤维素悬浊液为基体,通过真空诱导自组装法制备核-壳NFC/TGCN异质复合薄膜并作为超级电容器电极材料。综合来看,核-壳NFC/TGCN异质复合薄膜电极展现出良好的电容性能,其循环伏安曲线更加接近矩形,恒电流充放电曲线更加趋近三角形。当电流密度为5mA/cm2时,核-壳NFC/TGCN异质复合薄膜电极的质量比电容值和面积比电容值分别为157.95 F/g和2.53 F/cm2;经过2000次的充放电循环后,质量比电容值和面积比电容值分别为146.25 F/g和1.39 F/cm2,电容保持率分别为92.59%和54.94%,其中面积比电容下降趋势明显,仍需进一步探索。
【学位单位】：东北林业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB383.2;TM53
【部分图文】：

??进而在类石墨相氮化碳骨架中引入了?０元素。图３－２（ｃ）和（ｄ）为ＮＦＣ／２０ｗｔ％ＬＧＣＮ和??ＮＦＣ／４０ｗｔ％ＬＧＣＮ异质复合薄膜的ＳＥＭ图片，可以发现，随着ＬＧＣＮ含量的逐渐增加，??木质基纳米纤维素薄膜原来的形貌己被层状类石墨相氮化碳以插层复合结构逐渐覆盖并??呈现出不平整的表面，进而形成了二元异质复合结构。??．糊??■■■■■■ｍＢＳＳｎＨＢＨＨＨＲＲＩ?．?：?ｉ—ｉ?＾Ｍｍ?—??（ａ）?（ｂ）?（ｃ）??图３－３?ＮＦＣ／ＬＧＣＮ异质复合膜中异质成分的ＴＥＭ图??Ｆｉｇ．?３－３?ＴＥＭ?ｉｍａｇｅｓ?ｏｆ?ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ?ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ?ｉｎ?ＮＦＣ／ＬＧＣＮ?ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ?ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ?ｆｉｌｍ??３．３．３?ＮＦＣ

（ａ）?Ｃ１?ｓ?ｓｐｅｃｔｒｕｍ?（ｂ）?Ｎ１?ｓ?ｓｐｅｃｔｒｕｍ??图３－６?ＬＧＣＮ的ＸＰＳ图谱??Ｆｉｇ．?３－６?ＸＰＳ?ｓｐｅｃｔｒａ?ｏｆ?ＬＧＣＮ??通过Ｘ射线光电子能谱（ＸＰＳ）对ＬＧＣＮ的组成和元素化学环境进行表征，如图３－??６所示。相比于ｂｕｌｋ－ｇ－Ｃ３Ｎ４，ＬＧＣＮ中的Ｃ／Ｎ原子比率由０．６５丨｜２２丨增至０．８４，可能原因??是在热聚合－溶剂刻蚀过程中，氨基于ｂｕｌｋ－ｇ－Ｃ３Ｎ４骨架中失去所致。高分辨率的Ｃｌｓ的??ＸＰＳ图谱如图３－６?（ａ）所示，Ｃｌｓ拟合峰的位置分别位于２８４．９?ｅＶ和２８８．２０?ｅＶ，分别归??属于ｓｐ２杂化的Ｃ－Ｃ键和含氮芳环中ｓｐ２杂化碳（Ｎ－Ｃ＝Ｎ）ｌ１２６ｌ。高分辨率的Ｎｌｓ的ＸＰＳ??图谱如图３－６?（ｂ）所示，Ｎｌｓ的拟合峰的位置分别位于３９８．７?ｅＶ、３９９．９?ｅＶ、４０１．３?ｅＶ和??４０４．３?ｅＶ，分别归属于ｓｐ２杂化氮（Ｎ１）、叔氮基团（Ｎ２）、氨基官能团（Ｎ３）ｌ｜２２ｌ和电荷效??应（Ｎ４）…７，??３．３＿５?ＬＧＣＮ和ＮＦＣ／ＬＧＣＮ异质复合薄膜的ＢＥＴ表征分析??图３－７为１＾＾＾（３）和不同１＾＾＾含量的呢＜：／１＾？＾异质复合薄膜（１））和（（：）的??Ｎ２吸附－脱附等温线。通过计算得到的相关数据如表３－１所示

恒电流充电放电（ＧＣＤ）、交流阻抗（ＥＩＳ）和循环性能四个方面进行探讨。??３．３．６．１循环伏安（ＣＶ）分析??图３－８为对ＮＦＣ／ＬＧＣＮ异质复合薄膜和ＬＧＣＮ电极的循环伏安分析。图３－８中的??（ａ）、（ｂ）和（ｃ）图分别显示了在扫描速度范围为ｌ〇￣Ｉ〇〇ｍＶ／ｓ条件下，ＮＦＣ／２０ｗｔ％ＬＧＣＮ、??ＮＦＣ／４０ｗｔ％ＬＧＣＮ异质复合薄膜电极和ＬＧＣＮ电极的ＣＶ曲线。其中，??ＮＦＣ／２０ｗｔ％ＬＧＣＮ、ＮＦＣ／４０ｗｔ％ＬＧＣＮ异质复合薄膜电极均表现出规范的准矩形图像，??证明了其具有良好的电容行为；相比于前两者，ＬＧＣＮ电极所呈现出来的ＣＶ曲线则不??规范，类似于“勺子”型，可能的原因是ＬＧＣＮ自身出现团聚现象，阻碍了电解质溶液??离子在ＬＧＣＮ电极中的传递效率。??＇
【参考文献】

相关硕士学位论文 前2条

1 郭倩怡;类石墨氮化碳的光电性能及其应用研究[D];华南理工大学;2018年

2 莫代忠;酶解法制备纯纳米纤维素[D];华南理工大学;2016年

本文编号：2891618