電紡法制備碳和MnO 2納米纖維及其超級(jí)電容性能研究.pdf

1、超級(jí)電容器具有充放電速率快、循環(huán)壽命長(zhǎng)、價(jià)格低廉和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),在電動(dòng)汽車、消費(fèi)電子產(chǎn)品、存儲(chǔ)器備用電源等很多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。但是目前商用超級(jí)電容器的比能量?jī)H為5-10 Wh/kg，遠(yuǎn)低于鋰離子電池的比能量，限制了其應(yīng)用。因此，研究制備新型電極材料以提高其比能量等性能是目前超級(jí)電容器研究領(lǐng)域的迫切任務(wù)。
　　靜電紡絲是一種制備納米尺度纖維的簡(jiǎn)單方法，在組織工程、凈化過(guò)濾、催化、傳感器、復(fù)合材料等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。由于靜電紡絲具

2、有制備方法簡(jiǎn)便，成本低廉，制備出的納米纖維不團(tuán)聚等優(yōu)點(diǎn)，其在超級(jí)電容器電極材料的制備方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
　　本論文利用靜電紡絲方法制備了具有超細(xì)直徑的納米碳纖維，通過(guò)獨(dú)創(chuàng)的工藝在納米碳纖維表面制備了徑向生長(zhǎng)的石墨烯結(jié)構(gòu)；研究了電化學(xué)處理對(duì)納米碳纖維電化學(xué)性質(zhì)的影響，建立了通過(guò)電化學(xué)處理改善納米碳纖維性能的工藝方法；以納米碳纖維為模板和還原劑，通過(guò)與高錳酸鉀（KMnO4）溶液反應(yīng)制備了蜂窩狀多孔MnO2納米纖維，研究了其形成規(guī)律及

3、結(jié)構(gòu)特征。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：
　　研究了氨氣（NH3）氣氛中碳化溫度對(duì)納米碳纖維形貌和結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，NH3氣氛碳化有利于納米碳纖維直徑的減小，通過(guò)適當(dāng)?shù)墓に嚳刂瓶梢垣@得超細(xì)直徑的納米碳纖維。1100℃碳化獲得的納米碳纖維最細(xì)，平均直徑達(dá)到11nm，且表面有石墨烯結(jié)構(gòu)。1100℃碳化獲得的納米碳纖維作為電極材料組裝成水系超級(jí)電容器的工作電壓達(dá)到1.8 V，在450 W/kg的比功率下的比能量達(dá)到29.1 Wh/kg。5

4、000次充放電測(cè)試后比電容保持率為93.7％。1100℃下碳化獲得的納米碳纖維組裝的有機(jī)超級(jí)電容器的工作電壓為4V，1.67A/g的電流密度下獲得的比電容為111 F/g，比能量為61.9 Wh/kg。
　　研究了電化學(xué)處理對(duì)超級(jí)電容器性能的影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)電極材料施加交替正負(fù)向電壓進(jìn)行循環(huán)處理可以有效提高超級(jí)電容器的工作電壓和比電容，建立了一種改善超級(jí)電容器性能的簡(jiǎn)單方法。對(duì)于900℃ NH3中碳化的納米碳纖維所組裝的超級(jí)電容器，經(jīng)

5、過(guò)3000次循環(huán)處理后的超級(jí)電容器性能大幅提高，1A/g的電流密度下的比能量從0.5 Wh/kg提高到15 Wh/kg。電化學(xué)處理后的超級(jí)電容器在經(jīng)過(guò)15000次充放電后的比電容保持率為94.5%，0.2 A/g電流密度下的比能量達(dá)到19.7 Wh/kg。
　　利用納米碳纖維與KMnO4溶液反應(yīng)制備了MnO2納米纖維，研究了溶液濃度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)MnO2產(chǎn)物形貌結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明溶液濃度和反應(yīng)時(shí)間強(qiáng)烈影響產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，過(guò)高濃度

6、下產(chǎn)物為核/殼結(jié)構(gòu)的C/MnO2復(fù)合納米纖維，過(guò)低濃度下的產(chǎn)物表面結(jié)構(gòu)不明顯。隨著反應(yīng)時(shí)間的增加MnO2納米纖維直徑不斷增加，內(nèi)部碳纖維直徑不斷減小，但不同濃度下的MnO2納米纖維表面的生長(zhǎng)速度有所不同。溶液濃度為2 mM時(shí)并經(jīng)過(guò)48 h反應(yīng)制備出了蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)的MnO2納米纖維，該纖維由徑向生長(zhǎng)的納米片組成，納米片厚度為3-7 nm。利用蜂窩狀多孔MnO2納米纖維和1 M Na2SO4電解液組裝的超級(jí)電容器具有突出的性能，工作電壓達(dá)