静电纺丝制备多孔碳纳米纤维及其电化学电容行为.ppt

静电纺丝制备多孔碳纳米纤维及其电化学电容行为 讲演人 徐浩南 目录 Clicktoedittextstyles Edityourcompanyslogan 1 绪论 4 结论 绪论 超级电容器 通过极化电解质来储能 在其储能的过程并不发生化学反应 这种储能过程是可逆的 优势 功率密度高 充电时间短 使用寿命长 循环次数多静电纺丝 聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝 纳米级直径 碳纳米纤维有良好的电导率和循环寿命 但在应用中却表现出相对有效利用面积不大 电容质量比不高等缺点 因此将碳纳米纤维用于超级电容器的关键就是设法使它具有更高的有效面积 采用静电纺丝及碳化后处理方法制备了多孔纳米碳纤维 并通过循环伏安 恒流充放电电化学测试研究了其电化学电容行为 本文亮点 利用氧化锌易溶于酸的特性 我们通过一种简便的静电纺丝及碳化后处理方法制备出多孔纳米碳纤维 由于造孔是在碳化之后进行 避免了高温碳化对形貌结构的影响 具有稳定的多孔碳结构 Clicktoedittextstyles Edityourcompanyslogan 工艺流程 Clicktoedittextstyles Edityourcompanyslogan 原料 聚丙烯腈二水乙酸锌N N 二甲基甲酰胺 制成电纺液备用 工艺 12kV电压电纺 喷射成丝 溶剂挥发得到聚丙烯腈 醋酸锌复合纳米纤维 将得到的复合纳米纤维放入管式炉 在空气中280 下预氧化1h 然后在氩气保护下 800 下碳化2h得到C ZnO纤维 升温速率为5 min 1 随后在3mol L 1的硝酸溶液中浸泡1h 并在纯水中浸泡1h除去ZnO 得到多孔碳纳米纤维 电纺液 聚丙烯腈 醋酸锌复合纳米纤维 电纺 空气280 1h 氩气 800 碳化2h C ZnO纤维 硝酸溶液浸泡1h 除ZnO 多孔碳纳米纤维 样品表征 Clicktoedittextstyles Edityourcompanyslogan SEM S4800扫描电子显微镜 加速电压为100kV BET比表面积测试 ASAP2020型吸附仪 测N2吸脱附等温曲线及孔径分布曲线 电化学测试采用三电极体系 电解液采用6 0mol L 1的KOH溶液 结果讨论 Clicktoedittextstyles Edityourcompanyslogan 扫描电镜结果 多孔碳纳米纤维的显微结构图1是碳纳米纤维 a 与多孔碳纳米纤维 b 的SEM照片 从图中可以看出在多孔碳纤维表面密布大量孔洞 孔分布得较均匀 而碳纳米纤维表面观察不到明显的孔洞 与碳纳米纤维比较 多孔结构有利于增大碳纤维的比表面积 图1碳纳米纤维 a 和多孔碳纳米纤维 b 的SEM照片Fig 2SEMimagesofthecarbonnanofibers a andporouscarbonnanofibers b 结果讨论 Clicktoedittextstyles Edityourcompanyslogan BET测试 多孔碳纳米纤维的比表面积为413m2 g 1 碳纳米纤维的比表面积为98m2 g 1图2a为多孔碳纳米纤维和碳纳米纤维的氮气吸附等温线 多孔碳纤维的吸附量超过了常规碳纤维 说明通过氧化锌造孔提高了碳纤维的比表面积 图2b为多孔碳纳米纤维和碳纳米纤维的孔径分布情况 对比发现 孔径大于20nm后常规碳纤维容量趋近于零 说明酸溶解氧化锌主要产生的是介孔与大孔 这与多孔碳纳米纤维的SEM照片一致 而介孔为电解质离子提供了充足的扩散通道 图2多孔碳纳米纤维和碳纳米纤维的N2吸脱附等温曲线 a 和孔径分布曲线 b Fig2N2adsorptionisotherms a andporesizedistributioncurves b ofcarbonnanofibersandporouscarbonnanofibers 结果讨论 Clicktoedittextstyles Edityourcompanyslogan 电化学测试 图3是多孔碳纳米纤维和碳纳米纤维的循环伏安曲线 可明显看出曲线形状接近矩形 多孔碳纳米纤维比常规碳纳米纤维的所包含的积分面积更大 拥有较大的比电容 从图中可以看出CV曲线形状有倾斜变形 这是由于PAN热裂解材料所具的大共轭不饱和结构 有较高的本征电导率 其化学和物理结构的不均匀性及氧化还原中心的相互作用等所致 图3碳纳米纤维和多孔碳纳米纤维的循环伏安曲线图Fig 3Cyclicvoltammogramsofcarbonnanofibersandporouscarbonnanofibers 结果讨论 Clicktoedittextstyles Edityourcompanyslogan 图4充放电曲线可以看出二者的充放电曲线都呈较规整的三角对称分布 表明电极具有较好的可逆性 在恒流充放条件下 电压随时间变化具有明显的线性关系 说明电极过程主要为双电层电容 对比两种纤维 多孔碳纳米纤维的比容量要大于常规碳纳米纤维 与CV分析结果一致 根据以下公式对两种碳纤维在不同的电流密度下的比容量进行了计算 C i t V m 式中 i是放电电流密度 A t是放电时间 s m是碳纤维的质量 g V是实际的放电电位降 V C是碳纤维单电极比电容 F g 1 根据计算发现在1A g 1电流密度下多孔碳纳米纤维的比容量为275F g 1 相比碳纳米纤维的105F g 1提高了162 即使在大电流密度下 5A g 1 多孔碳纳米纤维仍保持在170F g 1 保持了62 的容量 而碳纳米纤维仅保持了38 的容量 说明多孔碳纳米纤维具有较好的倍率性能 以上结果表明 多孔碳纳米纤维相比碳纳米纤维具有更好的电化学性能 图4碳纳米纤维和多孔碳纳米纤维在电流密度为1A g 1下的恒流充放电曲线Fig 4Charge dischargecurvesofcarbonnanofibersandporouscarbonnanofibersatcurrentdensityof1A Clicktoedittextstyles Edityourcompanyslogan 结论 通过对比普通碳纳米纤维与多孔碳纳米纤维 BET显示多孔碳纤维的比表面积有