碳材料是最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的超級(jí)電容器電極材料。碳材料具有天然豐度,表面存在豐富的孔結(jié)構(gòu),可以利用雙電層原理在表面物理吸脫附電荷,表現(xiàn)出良好的能量存儲(chǔ)性能和超高的使用壽命。作為柔性電極應(yīng)用的碳材料,集電化學(xué)活性材料和集電極材料于一身。在其表面進(jìn)行復(fù)合材料體系設(shè)計(jì),可以賦予柔性電極材料更為優(yōu)異的電化學(xué)性能�；钚蕴烤哂刑疾牧系牡湫徒Y(jié)構(gòu)特征,且成本低廉。多樣的活性炭纖維技術(shù)使活性炭材料得以應(yīng)用于柔性電極。大多數(shù)活性炭纖維以石化產(chǎn)品作為生產(chǎn)原料。近年來(lái),可再生和低污染的生物質(zhì)基原料引起更多的關(guān)注。本論文以天然的棉織物為前驅(qū)體,通過(guò)高溫炭化活化制備活性炭纖維織物。該活性炭纖維織物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有自支撐作用和良好的導(dǎo)電性,可以應(yīng)用于超級(jí)電容器的柔性電極。論文研究了制備過(guò)程中預(yù)處理?xiàng)l件和熱處理?xiàng)l件對(duì)活性炭纖維織物結(jié)構(gòu)與性能的影響。并研究了活性炭纖維表面改性對(duì)活性炭纖維織物/MnO_2復(fù)合材料體系的電化學(xué)性能的影響。通過(guò)XRD和SEM對(duì)材料進(jìn)行物相和結(jié)構(gòu)表征。論文對(duì)所制備的活性炭纖維織物進(jìn)行了力學(xué)性能、導(dǎo)電性能、電化學(xué)性能和比表面積的測(cè)定。論文首先以天然的棉織物為原料,通過(guò)浸漬ZnCl_2進(jìn)行預(yù)處理,改變不同的炭化溫度合成三維網(wǎng)絡(luò)體結(jié)構(gòu)的活性炭纖維織物。研究結(jié)果表明:ZnCl_2對(duì)棉織物預(yù)處理可以產(chǎn)生梯形耐熱結(jié)構(gòu),防止氧化初期纖維表面被破壞,提高了纖維的熱氧化穩(wěn)定性,適當(dāng)?shù)奶炕瘻囟瓤梢蕴岣呋钚蕴坷w維織物的石墨結(jié)晶度,增加其導(dǎo)電性,而過(guò)高的溫度會(huì)使纖維表面發(fā)生斷裂現(xiàn)象,造成力學(xué)性能的減小,因此,在具有優(yōu)良導(dǎo)電性的前提下,應(yīng)盡可多的保障其力學(xué)性能,當(dāng)炭化溫度為1000℃時(shí),活性炭纖維織物具有較好的導(dǎo)電性能、力學(xué)性能,較大的比表面,和豐富的小孔徑中孔,屬于典型的中孔炭材料。利用上述制備的活性炭纖維織物,通過(guò)調(diào)節(jié)不同的浸漬時(shí)間、硝酸濃度和浸漬溫度,使用液相法對(duì)其表面進(jìn)行氧化改性。研究結(jié)果表明:隨著浸漬時(shí)間的延長(zhǎng)、硝酸濃度的增加和浸漬溫度的升高,活性炭纖維織物的比表面呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢(shì),力學(xué)性能均發(fā)生不同程度的降低,導(dǎo)電性能均升高,其表面的含氧官能團(tuán)也出現(xiàn)增多的傾向,其中羧基的增加速度最快。當(dāng)浸漬時(shí)間為6 h,浸漬溫度為60℃,硝酸濃度為10 mol·L~(-1)時(shí),活性炭纖維織物表面不僅引入大量羥基、內(nèi)酯基、酚羥基等基團(tuán),而且不會(huì)對(duì)其孔道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)大的影響,同時(shí)還可以增加其比表面,保持較好的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能。改性后的活性炭纖維織物,電化學(xué)性能較好,在0.5A·g~(-1)的電流密度下其比電容為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纖維織物,進(jìn)行金屬氧化物的表面包裹。采用水熱法在活性炭纖維織物的表面負(fù)載MnO_2,構(gòu)造活性材料的復(fù)合電極。改性后的纖維表面均勻的包裹著δ-MnO_2,且相互交錯(cuò)穿插形成片狀結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)可以有效的獲得較大的比表面積,增加復(fù)合材料與電解液的接觸面積,為電解質(zhì)溶液中電荷的轉(zhuǎn)移提供了較順暢的通道,同時(shí)也提高活性物質(zhì)的利用率和擴(kuò)散傳遞的性質(zhì)。而未改性的活性炭纖維織物表面附著的MnO_2不太均勻,出現(xiàn)了未包裹或包裹過(guò)度的現(xiàn)象。硝酸改性前后復(fù)合材料均表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能,在0.5 A·g~(-1)電流密度下,比電容分別為250 F·g~(-1)和462 F·g~(-1)。
【學(xué)位單位】：浙江理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM53;TS106
【部分圖文】：

業(yè)的化石燃料相比，需要更短的時(shí)間進(jìn)行復(fù)制。生物質(zhì)基材料可料之間差距的現(xiàn)實(shí)替代品，考慮到它來(lái)自可再生生物，大量可用，環(huán)循環(huán)穩(wěn)定性并且比金屬和合成聚合物具有更低的材料成本[15]。但生應(yīng)用中卻具有低能量密度[16]，為了克服該限制，目前已經(jīng)研究將生纖維材料，使生物質(zhì)基材料的形態(tài)改變?yōu)橐痪S結(jié)構(gòu)[17]。纖維的結(jié)構(gòu)特征由微晶、表面雜環(huán)或官能團(tuán)以及極狹小的孔隙三部分組成的。其中石墨晶片堆砌的形式形成的三維結(jié)構(gòu)，其有序性差、尺寸小。ACF 性炭，如圖 1.1 所示，ACF 的纖維表面 90%以上是微孔，且孔徑一般在乎沒(méi)有大孔，只有少量中孔。這些微孔是在制備過(guò)程中微晶間的各除去后產(chǎn)生的，由纖細(xì)的毛細(xì)管壁構(gòu)成，是吸附的主要孔結(jié)構(gòu)[18]�？走€能直接接觸吸附質(zhì)分子，縮短吸附路徑，驅(qū)動(dòng)力大，吸附速度容量大，吸附效率高。

圖 1.2 活性炭纖維制備Fig. 1.2 Preparation of activated carbon fiber1.1.3.1 預(yù)處理預(yù)處理的方式主要分為兩種[19]：浸漬法和預(yù)氧化法(如圖 1.3 所示)。浸漬法是將前驅(qū)體浸泡在堿性溶液或者鹽溶液中。其目的是讓堿或鹽的小分子進(jìn)入到前驅(qū)體的內(nèi)部，發(fā)生溶脹、脫水或交聯(lián)等一系列反應(yīng)，保證前驅(qū)體在高溫階段不會(huì)呈碎片狀逸散[20]。預(yù)氧化法是指將前驅(qū)體在有氧條件下緩慢的進(jìn)行加熱，使其發(fā)生脫氫反應(yīng)、環(huán)化反應(yīng)、氧化反應(yīng)等轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的耐熱梯形結(jié)構(gòu)，有助于在高溫還原階段保障前驅(qū)體纖維的結(jié)構(gòu)不被破壞，發(fā)生熔融變形[21]。

圖 1.2 活性炭纖維制備Fig. 1.2 Preparation of activated carbon fiber主要分為兩種[19]：浸漬法和預(yù)氧化法(如圖 1.3 所示液或者鹽溶液中。其目的是讓堿或鹽的小分子進(jìn)入到聯(lián)等一系列反應(yīng)，保證前驅(qū)體在高溫階段不會(huì)呈碎在有氧條件下緩慢的進(jìn)行加熱，使其發(fā)生脫氫反應(yīng)、耐熱梯形結(jié)構(gòu)，有助于在高溫還原階段保障前驅(qū)體纖
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本文編號(hào)：2870458