超级电容器电极材料的活性炭纤维织物的制备及改性

发布时间：2020-11-04 18:40

　　 碳材料是最早实现商业化应用的超级电容器电极材料。碳材料具有天然丰度,表面存在丰富的孔结构,可以利用双电层原理在表面物理吸脱附电荷,表现出良好的能量存储性能和超高的使用寿命。作为柔性电极应用的碳材料,集电化学活性材料和集电极材料于一身。在其表面进行复合材料体系设计,可以赋予柔性电极材料更为优异的电化学性能。活性炭具有碳材料的典型结构特征,且成本低廉。多样的活性炭纤维技术使活性炭材料得以应用于柔性电极。大多数活性炭纤维以石化产品作为生产原料。近年来,可再生和低污染的生物质基原料引起更多的关注。本论文以天然的棉织物为前驱体,通过高温炭化活化制备活性炭纤维织物。该活性炭纤维织物的网状结构具有自支撑作用和良好的导电性,可以应用于超级电容器的柔性电极。论文研究了制备过程中预处理条件和热处理条件对活性炭纤维织物结构与性能的影响。并研究了活性炭纤维表面改性对活性炭纤维织物/MnO_2复合材料体系的电化学性能的影响。通过XRD和SEM对材料进行物相和结构表征。论文对所制备的活性炭纤维织物进行了力学性能、导电性能、电化学性能和比表面积的测定。论文首先以天然的棉织物为原料,通过浸渍ZnCl_2进行预处理,改变不同的炭化温度合成三维网络体结构的活性炭纤维织物。研究结果表明:ZnCl_2对棉织物预处理可以产生梯形耐热结构,防止氧化初期纤维表面被破坏,提高了纤维的热氧化稳定性,适当的炭化温度可以提高活性炭纤维织物的石墨结晶度,增加其导电性,而过高的温度会使纤维表面发生断裂现象,造成力学性能的减小,因此,在具有优良导电性的前提下,应尽可多的保障其力学性能,当炭化温度为1000℃时,活性炭纤维织物具有较好的导电性能、力学性能,较大的比表面,和丰富的小孔径中孔,属于典型的中孔炭材料。利用上述制备的活性炭纤维织物,通过调节不同的浸渍时间、硝酸浓度和浸渍温度,使用液相法对其表面进行氧化改性。研究结果表明:随着浸渍时间的延长、硝酸浓度的增加和浸渍温度的升高,活性炭纤维织物的比表面呈现先上升后降低的趋势,力学性能均发生不同程度的降低,导电性能均升高,其表面的含氧官能团也出现增多的倾向,其中羧基的增加速度最快。当浸渍时间为6 h,浸渍温度为60℃,硝酸浓度为10 mol·L~(-1)时,活性炭纤维织物表面不仅引入大量羟基、内酯基、酚羟基等基团,而且不会对其孔道结构产生过大的影响,同时还可以增加其比表面,保持较好的力学性能和导电性能。改性后的活性炭纤维织物,电化学性能较好,在0.5A·g~(-1)的电流密度下其比电容为162.5 F·g~(-1),是改性前的2倍左右。利用上述改性前后的活性炭纤维织物,进行金属氧化物的表面包裹。采用水热法在活性炭纤维织物的表面负载MnO_2,构造活性材料的复合电极。改性后的纤维表面均匀的包裹着δ-MnO_2,且相互交错穿插形成片状结构,这种结构可以有效的获得较大的比表面积,增加复合材料与电解液的接触面积,为电解质溶液中电荷的转移提供了较顺畅的通道,同时也提高活性物质的利用率和扩散传递的性质。而未改性的活性炭纤维织物表面附着的MnO_2不太均匀,出现了未包裹或包裹过度的现象。硝酸改性前后复合材料均表现出良好的电化学性能,在0.5 A·g~(-1)电流密度下,比电容分别为250 F·g~(-1)和462 F·g~(-1)。
【学位单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM53;TS106
【部分图文】：

业的化石燃料相比，需要更短的时间进行复制。生物质基材料可料之间差距的现实替代品，考虑到它来自可再生生物，大量可用，环循环稳定性并且比金属和合成聚合物具有更低的材料成本[15]。但生应用中却具有低能量密度[16]，为了克服该限制，目前已经研究将生纤维材料，使生物质基材料的形态改变为一维结构[17]。纤维的结构特征由微晶、表面杂环或官能团以及极狭小的孔隙三部分组成的。其中石墨晶片堆砌的形式形成的三维结构，其有序性差、尺寸小。ACF 性炭，如图 1.1 所示，ACF 的纤维表面 90%以上是微孔，且孔径一般在乎没有大孔，只有少量中孔。这些微孔是在制备过程中微晶间的各除去后产生的，由纤细的毛细管壁构成，是吸附的主要孔结构[18]。孔还能直接接触吸附质分子，缩短吸附路径，驱动力大，吸附速度容量大，吸附效率高。

图 1.2 活性炭纤维制备Fig. 1.2 Preparation of activated carbon fiber1.1.3.1 预处理预处理的方式主要分为两种[19]：浸渍法和预氧化法(如图 1.3 所示)。浸渍法是将前驱体浸泡在碱性溶液或者盐溶液中。其目的是让碱或盐的小分子进入到前驱体的内部，发生溶胀、脱水或交联等一系列反应，保证前驱体在高温阶段不会呈碎片状逸散[20]。预氧化法是指将前驱体在有氧条件下缓慢的进行加热，使其发生脱氢反应、环化反应、氧化反应等转变成稳定的耐热梯形结构，有助于在高温还原阶段保障前驱体纤维的结构不被破坏，发生熔融变形[21]。

图 1.2 活性炭纤维制备Fig. 1.2 Preparation of activated carbon fiber主要分为两种[19]：浸渍法和预氧化法(如图 1.3 所示液或者盐溶液中。其目的是让碱或盐的小分子进入到联等一系列反应，保证前驱体在高温阶段不会呈碎在有氧条件下缓慢的进行加热，使其发生脱氢反应、耐热梯形结构，有助于在高温还原阶段保障前驱体纤
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本文编号：2870458