能源消耗和環(huán)境污染是當(dāng)今世界面臨的兩大難題。在過(guò)去的幾十年里,科學(xué)家和工程師們通過(guò)開(kāi)發(fā)風(fēng)能和太陽(yáng)能等與能源相關(guān)的新技術(shù),努力研究和解決這兩個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。其中,能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存是實(shí)現(xiàn)可再生能源高效、可持續(xù)利用的關(guān)鍵因素。碳納米材料作為當(dāng)今最熱門(mén)基礎(chǔ)材料的前沿之一,也成為了推動(dòng)當(dāng)代科技進(jìn)步的重要支柱之一,為許多工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品提供了重要的材料支撐和和擴(kuò)展?jié)摿�。到目前為�?具有獨(dú)特形狀、優(yōu)良性能的納米結(jié)構(gòu)的材料研究得到了快速的發(fā)展,并且實(shí)現(xiàn)了在納米電子器件、能源材料、環(huán)境安全及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。納米纖維是納米材料中的最重要的納米結(jié)構(gòu)之一。其中,靜電紡絲技術(shù)已經(jīng)成為制造具有高比表面積、高孔隙率和可控組合物的納米纖維的直接方法,適用于廣泛的應(yīng)用。本文主要研究過(guò)渡金屬Co和Fe制備不同碳納米材料用用于電催化和鋰離子電池方面。(1)本章通過(guò)化學(xué)合成法制成鈷基普魯士藍(lán)類(lèi)似物(Co_3[Co(CN)_6]_2·nH_2O,命名為Co-PB),將分散的Co-PB和聚丙烯腈(PAN)制備紡絲前驅(qū)體溶液,利用靜電紡絲技術(shù)制備Co-PB/PAN復(fù)合納米纖維膜。制好的納米纖維首先在28 ~oC的溫度下在空氣中進(jìn)行預(yù)氧化,然后在氮?dú)猸h(huán)境中高溫炭化以獲得表面生長(zhǎng)碳納米管的柔性3D Co@CNT-CNF碳纖維膜。所得的柔性薄膜可直接用作電催化析氫(HER)和析氧(OER)的催化電極。通過(guò)對(duì)不同摻Co-PB比例及溫度條件的探索,合成了一系列Co@CNT-CNF復(fù)合碳纖維材料,并通過(guò)測(cè)試選出最優(yōu)摻雜比例為10%及最優(yōu)炭化溫度為1000 ~oC的產(chǎn)品。作為HER催化電極,電流密度為10 mA cm~(-2)下的催化過(guò)電位為129 mV。作為OER催化電極,電流密度為10 mA cm~(-2)下的催化電位為162 mV。同時(shí)還將此膜材料用于1 mol L~(-1)的KOH溶液水裂解,對(duì)于整體水裂解只需要較低的1.53 V過(guò)電位就能達(dá)到電流密度10 mA cm~(-2),表現(xiàn)出良好的電催化性能及高催化耐久性。這主要得益于Co@CNT-CNF碳纖維大的比表面積、高導(dǎo)電性和納米多孔復(fù)合結(jié)構(gòu)。(2)本章通過(guò)設(shè)計(jì)將SiO_2納米球作為犧牲模板,PDA作為氮源和碳源,次磷酸鈉作為磷源,制備了由摻碳摻氮的超薄CoP@NC納米薄片組成的空心納米球(CoP@NC HNS)。合成的空心球尺寸約為320 nm,球殼厚度約為40 nm。將CoP@NC HNS作為催化劑用于電催化產(chǎn)氧測(cè)試,當(dāng)電流密度為10 mA cm~(-2)時(shí),過(guò)電位為320 mV,Tafel斜率為68 mV dec~(-1),在堿性電解質(zhì)中穩(wěn)定性顯著,這電催化產(chǎn)氧性能優(yōu)于商業(yè)化的IrO_2催化劑。當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到60 ~oC時(shí),催化性能進(jìn)一步提高(電流密度10 mA cm~(-2)時(shí)過(guò)電位約為290 mV,Tafel斜率為61 mV dec~(-1))。CoP@NC HNS具有獨(dú)特的空殼結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的化學(xué)組成成分,具體來(lái)說(shuō)就是Co與P、N的協(xié)同作用以及具有巨大比表面積的層次化空殼納米球結(jié)構(gòu),這些都可以為催化反應(yīng)提供足夠的電催化活性位點(diǎn),提高了電催化產(chǎn)氧性能。該催化劑是一種性能優(yōu)異的CoP@NC催化劑,具有成本低、地球資源豐富、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),具有良好的水分離應(yīng)用前景。(3)本章使用植酸(PA)作為磷和碳源,利用沉淀法簡(jiǎn)單合成含有植酸和鐵的前驅(qū)體。進(jìn)一步高溫退火合成FeP_x。同時(shí),在原材料中摻雜石墨烯合成FeP_x@C材料,用作高性能的LIB負(fù)極材料。結(jié)果顯示,FeP_x和FeP_x@C復(fù)合材料在100 mA g~(-1)的電流密度下分別提供637和818.3 mAh g~(-1)的鋰離子存儲(chǔ)容量。磷摻雜的碳材料改善了導(dǎo)電性并減輕了在充電-放電過(guò)程中FeP_x的體積變化,保持了結(jié)構(gòu)完整性。另外,基于其優(yōu)異的鋰電性能,設(shè)計(jì)通過(guò)靜電紡絲技術(shù)將前驅(qū)體紡成納米纖維,經(jīng)過(guò)空氣中預(yù)氧化和氮?dú)庀赂邷靥蓟纬扇嵝缘腇eP_x@CNF碳納米纖維材料,用作柔性的鋰電負(fù)極材料。結(jié)果顯示,這種柔性的碳纖維可在100 mA g~(-1)的電流密度下提供98.2 mAh g~(-1)的鋰離子存儲(chǔ)容量。
【學(xué)位單位】：江西理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TM912;TB33;TQ116.2
【部分圖文】：

圖 1.1 拉伸法制備一維納米材料的原理圖（1）拉伸技術(shù)。拉伸技術(shù)在性質(zhì)上與傳統(tǒng)的干紡技術(shù)相似并且能夠生產(chǎn)非常長(zhǎng)的單個(gè)納米纖維。該技術(shù)涉及三個(gè)非常簡(jiǎn)單的步驟，首先在基板上放置一滴體積接近 1mL的聚合物溶液，然后將微量移液管接觸到液滴的邊緣，最后將其拉出回來(lái)(圖 1.1)。微量移液管的這種向后運(yùn)動(dòng)將聚合物溶液吸引到足以使其變成納米纖維。溶劑蒸發(fā)、聚合物性質(zhì)和拉伸速度是決定所得纖維質(zhì)量的參數(shù)。該技術(shù)易于控制，相對(duì)非常經(jīng)濟(jì)，也不需要任何專(zhuān)業(yè)人員監(jiān)督。但是，其生產(chǎn)率低，而且可用聚合物具有局限性。因而改技術(shù)的規(guī)�；瘧�(yīng)用受到限制。已經(jīng)通過(guò)該技術(shù)開(kāi)發(fā)了各種聚合物納米纖維，例如聚乙烯基丁基橡膠、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚己內(nèi)酯、聚環(huán)氧乙烷和透明質(zhì)酸[6]。

圖 1.1 拉伸法制備一維納米材料的原理圖（1）拉伸技術(shù)。拉伸技術(shù)在性質(zhì)上與傳統(tǒng)的干紡技術(shù)相似并且能夠生產(chǎn)非常長(zhǎng)的單個(gè)納米纖維。該技術(shù)涉及三個(gè)非常簡(jiǎn)單的步驟，首先在基板上放置一滴體積接近 1mL的聚合物溶液，然后將微量移液管接觸到液滴的邊緣，最后將其拉出回來(lái)(圖 1.1)。微量移液管的這種向后運(yùn)動(dòng)將聚合物溶液吸引到足以使其變成納米纖維。溶劑蒸發(fā)、聚合物性質(zhì)和拉伸速度是決定所得纖維質(zhì)量的參數(shù)。該技術(shù)易于控制，相對(duì)非常經(jīng)濟(jì)，也不需要任何專(zhuān)業(yè)人員監(jiān)督。但是，其生產(chǎn)率低，而且可用聚合物具有局限性。因而改技術(shù)的規(guī)�；瘧�(yīng)用受到限制。已經(jīng)通過(guò)該技術(shù)開(kāi)發(fā)了各種聚合物納米纖維，例如聚乙烯基丁基橡膠、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚己內(nèi)酯、聚環(huán)氧乙烷和透明質(zhì)酸[6]。

圖 1.3 相分離技術(shù)制備一維納米材料示意圖（3）相分離技術(shù)。納米纖維制造的相分離技術(shù)包括溶解、凝膠化和使用溶劑的萃，然后是冷凍和干燥技術(shù)。借助于熱處理將聚四氟乙烯槽中的聚合物溶液轉(zhuǎn)化成凝膠通過(guò)冷凍干燥過(guò)程干燥所得凝膠(圖 1.3)。聚合物濃度和凝膠化溫度主要影響凝膠的持時(shí)間。凝膠化過(guò)程中的低溫和高溫分別導(dǎo)致形成納米級(jí)纖維網(wǎng)絡(luò)和片狀結(jié)構(gòu)[7]。這種法制備的納米纖維直徑為 50 500 nm，并且具有多孔結(jié)構(gòu)，具有“無(wú)端”長(zhǎng)絲網(wǎng)絡(luò)。合物的類(lèi)型，溶劑的類(lèi)型，凝膠化溫度，膠凝持續(xù)時(shí)間和熱處理也影響納米纖維的形。該技術(shù)簡(jiǎn)單，廉價(jià)，并且廣泛用于制造納米纖維。它逐一制造連續(xù)的納米纖維，通這種技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。然而，它也受到一些主要限制，比如過(guò)程耗時(shí)、缺乏構(gòu)穩(wěn)定性和孔隙率難以保持，而且不適用于所有聚合物。.1.2 靜電紡絲技術(shù)納米纖維是納米材料中最重要的納米結(jié)構(gòu)之一[8]。靜電紡絲技術(shù)與其他纖維制造方（如模板合成、拉伸和相分離等）相比更適用于廣泛的應(yīng)用，是制備具有高比表面積、孔隙率和可控組合物的納米纖維的直接有效的方法。
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 丁彬;斯陽(yáng);洪菲菲;閆成成;王雪琴;俞建勇;;靜電紡三維納米纖維體型材料的制備及應(yīng)用[J];科學(xué)通報(bào);2015年21期

2 童元建;王統(tǒng)帥;王小謙;徐樑華;;PAN基碳纖維制備過(guò)程中的組成演變[J];化工新型材料;2011年04期

本文編號(hào)：2877658