PVP基电纺碳纳米纤维的制备、改性及电化学储能性能研究

发布时间：2020-10-16 09:47

　　 近几年来,超级电容器由于其功率密度高,循环稳定性好以及绿色环保引起了各个邻域广泛的关注。超级电容器储能性能的关键在于电极材料的选取,如何制备高能量密度和功率密度的电极成为现在面临的主要问题。电纺碳纳米纤维具有高的长径比和纤维之间构成的三维网状结构,成为一种理想的自支撑柔性电极材料,同时电纺碳纳米纤维也是一种理想的基底材料易与其他赝电容材料复合,制备高性能的电极。本论文对此进行了以下一系列的研究:(1)通过热解g-C_3N_4实现对PVP基电纺碳纳米纤维的可控高效的氮化过程,成功制备了高含氮量的碳纳米纤维,其含氮量为8.96%。三电级测试系统中,掺氮碳纤维表现出良好的电化学性质。NC-800比电容为264 F/g在电流密度为1A/g时。在电化学储能的过程中,氮的掺杂增加了赝电容,提高了碳纤维的能量密度;同时氮的孤对电子与水中的氢离子结合形成氢键。改善了电极的浸润性,减小了体系的接触电阻。通过控制氮化温度,有效的调节了碳纳米纤维中氮的含量。(2)将正硅酸乙酯与PVP基碳纳米纤维前驱体溶液混纺后,经过碳化、酸处理后制备了多孔碳纳米纤维,极大的增加了碳纤维的比表面积,纯碳纤维(CNFs)的比表面积为150.8767 m~2/g,而多孔碳纤维(PCNFs-2)的比表面积为353.6557m~2/g。同时多孔碳纳米纤维表现出良好的电化学性质。在电流密度为1A/g时,比电容为153 F/g。多级孔结构,使得其电阻减小且倍率性提高。其中大孔结构为离子在电极中传输提供通道。微孔结构直接参与电荷存储。多级孔结构相互协调配合,提高了碳纤维的电化学性能。在这基础上,进一步氮化处理,制备掺氮多孔碳纤维,氮掺杂改善提高了碳材料的能量密度,但其倍率性比较低,孔结构恰好弥补了这一不足。
【学位单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ342.742;TB383.1;TM53
【部分图文】：

东北师范大学硕士学位论文第一章 绪 论1.1 前言设计和开发新型能量转换装置和储能器件提高能源的转化效率和有效的存储是目前针对能源紧缺和环境污染等问题的一个有效的解决途径。随着科技的发展，很多常的电子设备、交通工具都开始使用节能环保的电源。因此设计制备一种能量密度高大功率放电，循环寿命高的器件对未来能源的有效利用以及先进的能量存储、转化系的构建都具有十分重要的意义。到目前为止，超级电容器、电池和燃料电池是三种非重要的电化学能量存储和转化装置。

图 1.2 超级电容器的组成结构图。极材料性能直接影响着电容器的储能性能。理想性能简单极材料可以分为以下三类[1,10, 25, 26]：面积高、化学稳定性强的碳材料，如石墨还原反应增加赝电容的导电聚合物，

化温度为 900℃的活性炭毡电化学测试结果（A）在不同扫描速率下的循环伏安曲线）；（B）在不同电流密度下的恒定电流充放电图（GCD 曲线）[49]。好的孔结构一方面使得电极的电阻下降，另一方面能更好的帮助电极和结构为电解液中离子的传输提供通道，而微孔和介孔大幅度的提高材孔更是直接参与电荷的存储。在碳材料中具有大的比表面积和孔径分活性炭[40]、碳纳米管[41]、碳纳米纤维[42]、碳凝胶[43]以及石墨烯[44]。这极材料被广泛的应用，因为高的表面积为电荷的存储提供了大的场所，电荷存储能力。为了进一步提高碳材料的比表面积，我们通常采用模板激光表面处理等方法，增加微孔和介孔。到目前为止，文献中报道的，液，有对应的孔径，例如水系电解液 0.4mm 或者 0.7mm 左右，而对于，碳材料最优孔径分布为 0.8mm 左右[45]。极的比表面积和孔径分布的程度会影响电极的储能性质。同时电极和电也会影响整个存储过程，碳材料本身的浸润性差，为了改善这一问题，的掺杂。在碳材料中掺杂的异原子主要有 O，N，P，B。这其中掺杂最
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本文编号：2843091