本文關(guān)鍵詞：木質(zhì)素基復(fù)合碳納米纖維應(yīng)用于電化學(xué)電容器電極材料的研究

  更多相關(guān)文章： 木質(zhì)素 電化學(xué)電容器 碳纖維 靜電紡絲

【摘要】：木質(zhì)素作為在數(shù)量上僅此于纖維素的第二大植物生物質(zhì)原料,是最豐富的天然芳香族高分子。根據(jù)木質(zhì)素含碳量高且天然具有苯環(huán)結(jié)構(gòu),將其作為碳纖維的原材料,應(yīng)用于新型儲(chǔ)能設(shè)備電化學(xué)電容器的電極材料中,是一項(xiàng)較有前景的研究。本研究以毛竹乙酸木質(zhì)素為基本原料作為碳纖維的前體物質(zhì),同時(shí)加入乙酰丙酮鐵作為贗電容活性物質(zhì)過(guò)渡金屬氧化物的前體物質(zhì),通過(guò)靜電紡絲制備得到乙酰丙酮鐵復(fù)合木質(zhì)素納米原絲,再通過(guò)預(yù)氧化、碳化等手段制備得到鐵氧物復(fù)合木質(zhì)素基碳納米纖維(Iron oxide decorated lignin-based carbon nano-fibers,IO-LCNFs)。利用熱重、掃描電鏡、透射電鏡等測(cè)試方法研究復(fù)合木質(zhì)素納米纖維原絲的熱力學(xué)性質(zhì)以及復(fù)合碳納米纖維的形貌進(jìn)而推斷其在預(yù)氧化及碳化過(guò)程中的反應(yīng);利用X-射線衍射、光電子能譜和拉曼散射等測(cè)試方法研究復(fù)合碳納米纖維中鐵氧物顆粒的組成。然后以IO-LCNFs作為電化學(xué)電容器電極材料的活性物質(zhì),通過(guò)循環(huán)伏安測(cè)試、恒流充放電測(cè)試、電化學(xué)阻抗測(cè)試等方法研究其作為電化學(xué)電容器電極材料的機(jī)理反應(yīng)、比電容大小、阻抗大小以及其循環(huán)性能。同時(shí),也通過(guò)對(duì)IO-LCNFs進(jìn)行水蒸氣活化處理,研究開(kāi)孔后的復(fù)合碳納米纖維(Activated iron oxide decorated lignin-based carbon nano-fibers,A-IO-LCNFs)作為電極材料的電化學(xué)性能。結(jié)果表明:(1)未添加乙酰丙酮鐵的納米纖維原絲在預(yù)氧化過(guò)程中發(fā)生熔融行為;當(dāng)所添加乙酰丙酮鐵含量達(dá)到10%及以上時(shí),IO-LCNFs可以保持良好的纖維形態(tài),纖維直徑為300~500nm,且纖維表面出現(xiàn)直徑約為30~60nm的鐵氧物顆粒物質(zhì);當(dāng)所添加乙酰丙酮鐵含量為15%時(shí),IO-LCNFs的碳層有序度最高;當(dāng)所添加乙酰丙酮鐵含量高達(dá)20%及以上時(shí),IO-LCNFs表面布滿(mǎn)顆粒物質(zhì),且其纖維內(nèi)部也富含顆粒物質(zhì);IO-LCNFs中的顆粒物質(zhì)為鐵、四氧化三鐵以及氧化鐵的混合物;(2)在電化學(xué)性能測(cè)試中,當(dāng)以1mol/L Na_2SO_4為電解液時(shí),所有IO-LCNFs均只顯示出雙電層電容性能,比電容大小僅為9~20 F/g,鐵氧物并未呈現(xiàn)贗電容性能;當(dāng)以1mol/L Na_2SO_3為電解液時(shí),電極物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng),其中乙酰丙酮鐵含量添加量為20%的IO-LCNFs-20氧化還原反應(yīng)最為明顯,比電容值最高,為72.1F/g。(3)對(duì)IO-LCNFs進(jìn)行水蒸氣活化開(kāi)孔得到A-IO-LCNFs,再應(yīng)用于電化學(xué)電容電極材料。鐵氧物含量較少的碳纖維進(jìn)行水蒸氣活化開(kāi)孔有助于比表面積的提高,鐵氧物含量較多的碳纖維進(jìn)行水蒸氣活化會(huì)降低其比表面積。其中IO-LCNFs-10和IO-LCNFs-15在活化開(kāi)孔之后,纖維出現(xiàn)若干缺陷孔洞,A-IO-LCNFs-10纖維表面微孔和介孔均增多,比表面積由344.63m~2/g上升至566.45m~2/g。在電極測(cè)試中雙電層電容明顯,且比電容值有較大提高,A-IO-LCNFs-10和A-IO-LCNFs-15分別由原先的26.5F/g、35.5F/g提升至51.4F/g、42.4F/g;IO-LCNFs-20和IO-LCNFs-25在活化開(kāi)孔之后,纖維表面出現(xiàn)了結(jié)晶顆粒物質(zhì),且后者的纖維形態(tài)遭到破壞,A-IO-LCNFs-20纖維介孔增多、微孔減少,比表面積由335.44m~2/g減少至273.80m~2/g。A-IO-LCNFs-20和A-IO-LCNFs-25的比電容值由72.1F/g、55.7F/g分別降至38.5F/g、3.4F/g。由此可以得出,當(dāng)IO-LCNFs中鐵氧物含量較少時(shí),乙酰丙酮鐵主要作為碳纖維的定型物質(zhì),對(duì)其進(jìn)行活化開(kāi)孔時(shí),主要針對(duì)碳纖維表面開(kāi)孔,有助于提高電極材料的表面積和孔隙率,進(jìn)而提升其電容性能;而當(dāng)IO-LCNFs中鐵氧物含量較多時(shí),其作為贗電容活性材料時(shí)具有良好的贗電容性能,但在經(jīng)歷水蒸氣活化后,鐵氧物結(jié)晶成大顆粒物質(zhì),電解液較難滲入電極活性物質(zhì),同時(shí)碳纖維結(jié)構(gòu)遭到破壞,導(dǎo)致纖維比表面積下降,因此其電容性能明顯降低。
【關(guān)鍵詞】：木質(zhì)素 電化學(xué)電容器 碳纖維 靜電紡絲
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TM53;TB383.1
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-24
• 1.1 研究背景及意義12-13
• 1.1.1 木質(zhì)素研究背景與意義12-13
• 1.1.2 電化學(xué)電容器研究背景與意義13
• 1.2 木質(zhì)素基碳纖維概述13-18
• 1.2.1 木質(zhì)素的高值化利用研究13-15
• 1.2.2 碳納米纖維的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀15-16
• 1.2.3 木質(zhì)素基碳纖維研究現(xiàn)狀16-18
• 1.3 電化學(xué)電容器概述18-22
• 1.3.1 電化學(xué)電容器的特點(diǎn)及應(yīng)用19
• 1.3.2 電化學(xué)電容器的分類(lèi)及儲(chǔ)能機(jī)理19-20
• 1.3.3 電極材料研究進(jìn)展20-21
• 1.3.4 鐵氧物復(fù)合碳材料應(yīng)用于電極材料21-22
• 1.4 本文研究目標(biāo)與內(nèi)容22-24
• 第二章 木質(zhì)素基復(fù)合碳納米纖維的制備24-42
• 2.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器24-25
• 2.1.1 原料與試劑24-25
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器25
• 2.2 實(shí)驗(yàn)方法25-27
• 2.2.1 乙酸木質(zhì)素的精制25
• 2.2.2 紡絲液的配制25-26
• 2.2.3 復(fù)合納米纖維的靜電紡絲制備26
• 2.2.4 復(fù)合納米纖維的預(yù)氧化26-27
• 2.2.5 復(fù)合預(yù)氧化纖維的碳化27
• 2.3 分析與表征27-28
• 2.3.1 復(fù)合納米纖維的熱力學(xué)分析27
• 2.3.2 掃描電子顯微鏡分析27
• 2.3.3 透射電子顯微鏡分析27
• 2.3.4 X射線衍射光譜分析27-28
• 2.3.5 X射線光電子能譜分析（XPS）28
• 2.3.6 紅外光譜分析28
• 2.3.7 拉曼光譜分析28
• 2.4 結(jié)果與討論28-40
• 2.4.1 復(fù)合碳納米纖維形貌分析28-31
• 2.4.2 復(fù)合納米纖維原絲的熱重分析31-34
• 2.4.3 復(fù)合納米纖維原絲及其預(yù)氧化纖維的紅外分析34-35
• 2.4.4 復(fù)合碳納米纖維中鐵氧物組成分析35-38
• 2.4.5 復(fù)合碳納米纖維的碳結(jié)構(gòu)分析38-40
• 2.5 本章小結(jié)40-42
• 第三章 復(fù)合碳納米纖維應(yīng)用于電化學(xué)電容器電極材料的研究42-56
• 3.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器42-43
• 3.1.1 原料與試劑42
• 3.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器42-43
• 3.2 實(shí)驗(yàn)方法43-45
• 3.2.1 工作電極的制備43
• 3.2.2 電化學(xué)性能測(cè)試43-45
• 3.3 結(jié)果與討論45-54
• 3.3.1 Na_2SO_4體系下的電化學(xué)性能測(cè)試45-50
• 3.3.2 不同鐵氧物含量在Na_2SO_3體系下的電化學(xué)性能測(cè)試50-54
• 3.4 本章小結(jié)54-56
• 第四章 活化復(fù)合碳納米纖維應(yīng)用于電極材料的研究56-73
• 4.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器56-57
• 4.1.1 原料與試劑56
• 4.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器56-57
• 4.2 實(shí)驗(yàn)方法57-58
• 4.2.1 復(fù)合碳納米纖維的水蒸氣活化開(kāi)孔57
• 4.2.2 復(fù)合碳納米纖維的電化學(xué)性能測(cè)試57-58
• 4.3 分析與表征58-59
• 4.3.1 掃描電子顯微鏡測(cè)試58
• 4.3.2 X射線光電子能譜分析58
• 4.3.3 拉曼光譜分析58
• 4.3.4 比表面積及孔隙率測(cè)試58-59
• 4.4 結(jié)果與討論59-72
• 4.4.1 活化復(fù)合碳納米纖維形貌變化59-61
• 4.4.2 活化復(fù)合碳納米纖維鐵氧物組成及碳層結(jié)構(gòu)變化61-62
• 4.4.3 復(fù)合碳納米纖維活化與否的比表面積及孔徑分布分析62-68
• 4.4.4 活化復(fù)合碳納米纖維的電化學(xué)性能測(cè)試68-72
• 4.5 本章小結(jié)72-73
• 總結(jié)73-76
• 本研究主要成果73-74
• 本研究的創(chuàng)新之處74-75
• 展望75-76
• 參考文獻(xiàn)76-80
• 攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果80-81
• 致謝81-82
• Ⅳ-2答辯委員會(huì)對(duì)論文的評(píng)定意見(jiàn)82

【相似文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 張恩磊;唐元洪;張勇;林良武;裴立宅;;流動(dòng)催化法制備碳納米纖維工藝的研究進(jìn)展[J];機(jī)械工程材料;2006年11期

2 張恩磊;唐元洪;張勇;;金屬催化劑對(duì)碳納米纖維結(jié)構(gòu)影響的研究進(jìn)展[J];合成纖維;2007年03期

3 李飛;鄒小平;程進(jìn);張紅丹;任鵬飛;朱光;王茂發(fā);;乙醇催化燃燒法制備Y形碳納米纖維[J];微納電子技術(shù);2007年Z1期

4 王蘭娟;李春忠;顧鋒;周秋玲;;乙醇火焰燃燒制備螺旋碳納米纖維及結(jié)構(gòu)分析[J];無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào);2008年06期

5 畢鴻章;;濕法貯存的碳納米纖維覆面氈[J];高科技纖維與應(yīng)用;2009年04期

6 喬輝;楊笑;魏金柱;;碳納米纖維的制備及應(yīng)用[J];技術(shù)與市場(chǎng);2010年06期

7 李恩重;楊大祥;郭偉玲;王海斗;徐濱士;;碳納米纖維的制備及其復(fù)合材料在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用[J];材料導(dǎo)報(bào);2011年S2期

8 付沙威;謝圓圓;沈璐;陶薈春;;碳納米纖維的制備及表征[J];吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào);2012年02期

9 大谷朝南;劉輔庭;;碳納米纖維制造方法[J];合成纖維;2012年11期

10 王傳新;謝秋實(shí);汪建華;謝海鷗;;碳納米纖維/鎳管復(fù)合材料的制備[J];武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào);2013年01期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 張紅丹;鄒小平;程進(jìn);任鵬飛;李飛;朱光;王茂發(fā);;平直碳納米纖維與螺旋碳納米纖維的共同生長(zhǎng)[A];第六屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（6）[C];2007年

2 張超;魯雪生;顧安忠;;氫在碳納米纖維中吸附的計(jì)算機(jī)模擬研究[A];21世紀(jì)太陽(yáng)能新技術(shù)——2003年中國(guó)太陽(yáng)能學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2003年

3 程進(jìn);鄒小平;王麗坤;;一種制備碳納米纖維的簡(jiǎn)單方法[A];納米材料與技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展——第四屆全國(guó)納米材料會(huì)議論文集[C];2005年

4 李飛;鄒小平;程進(jìn);張紅丹;任鵬飛;王茂發(fā);朱光;;通過(guò)乙醇催化燃燒方法制備碳納米纖維[A];第六屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（6）[C];2007年

5 王茂發(fā);鄒小平;程進(jìn);張紅丹;任鵬飛;李飛;朱光;;催化燃燒法制備碳納米纖維球形團(tuán)聚物[A];第六屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（6）[C];2007年

6 李飛;鄒小平;程進(jìn);任鵬飛;張紅丹;王茂發(fā);朱光;;多方向生長(zhǎng)碳納米纖維的催化燃燒制備[A];第六屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（6）[C];2007年

7 程進(jìn);鄒小平;張紅丹;李飛;任鵬飛;朱光;王茂發(fā);;催化劑對(duì)乙醇催化燃燒法制備碳納米纖維的影響[A];第六屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（6）[C];2007年

8 李飛;鄒小平;程進(jìn);張紅丹;任鵬飛;朱光;王茂發(fā);;乙醇催化燃燒法制備Y形碳納米纖維[A];第十屆全國(guó)敏感元件與傳感器學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2007年

9 李恩重;楊大祥;郭偉玲;周新遠(yuǎn);王海斗;徐濱士;;碳納米纖維的制備及其復(fù)合材料在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用[A];2011年全國(guó)青年摩擦學(xué)與表面工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2011年

10 劉海洋;連鵬飛;方舟;蔡晴;隋剛;李鵬;于運(yùn)花;鄧旭亮;楊小平;;具有生物活性的碳納米纖維的制備[A];復(fù)合材料：創(chuàng)新與可持續(xù)發(fā)展(上冊(cè))[C];2010年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 周飛;基于碳納米纖維復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、合成及性能研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2016年

2 李大偉;基于復(fù)合碳納米纖維的多酚漆酶生物傳感器研究[D];江南大學(xué);2016年

3 祁祥;碳納米纖維的高溫轉(zhuǎn)變及其同質(zhì)異構(gòu)結(jié)的特性研究[D];武漢大學(xué);2009年

4 李妙魚(yú);碳納米纖維膜為載體直接甲醇燃料電池陽(yáng)極催化劑的研究[D];山西大學(xué);2011年

5 母靜波;電紡碳納米纖維/金屬氧化物復(fù)合材料的制備及在光催化和超級(jí)電容器方面的性質(zhì)研究[D];東北師范大學(xué);2013年

6 覃勇;螺旋碳納米纖維的生長(zhǎng)樣式控制及其生長(zhǎng)機(jī)理研究[D];中國(guó)海洋大學(xué);2005年

7 邵東鋒;負(fù)載氧化鋅碳納米纖維的制備及性能[D];江南大學(xué);2012年

8 陳久嶺;甲烷催化裂解生產(chǎn)碳納米纖維及其應(yīng)用的基礎(chǔ)研究[D];天津大學(xué);1999年

9 張呈旭;低溫等離子體技術(shù)制備直接醇類(lèi)燃料電池一體化電極的研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2012年

10 宋曉峰;基于電紡絲技術(shù)構(gòu)筑碳基和二氧化錫基一維納米材料[D];吉林大學(xué);2008年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 祁麟;用于染料敏化太陽(yáng)電池對(duì)電極的柔性碳納米纖維膜研究[D];浙江理工大學(xué);2016年

2 丁穩(wěn);血紅蛋白直接電化學(xué)行為及構(gòu)建水合肼生物傳感器[D];東南大學(xué);2015年

3 湯棟;碳納米纖維/黃麻/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的制備與性能研究[D];大連工業(yè)大學(xué);2011年

4 郭耀芳;三維多孔復(fù)合雙功能電催化材料的制備及性能研究[D];北京理工大學(xué);2016年

5 李歷歷;碳纖維基電極電化學(xué)傳感功能的研究[D];長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué);2016年

6 于卓;溶液噴射法制備聚酰亞胺納米纖維及其碳納米纖維[D];天津工業(yè)大學(xué);2016年

7 王林萍;木質(zhì)素基復(fù)合碳納米纖維應(yīng)用于電化學(xué)電容器電極材料的研究[D];華南理工大學(xué);2016年

8 許春陽(yáng);鋰空氣電池新型碳基材料的制備及其性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

9 王琦;碳纖維載銀復(fù)合納米催化劑的制備及其催化苯乙烯氧化反應(yīng)性能研究[D];內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué);2016年

10 熊祝標(biāo);錳氧化物/碳納米纖維復(fù)合材料的制備及其電容去離子研究[D];東華大學(xué);2016年

，

本文編號(hào)：834924