多孔纳米碳纤维的制备及其在超级电容器中的应用研究
碳纳米管在超级电容器中的应用
碳纳米管在超级电容器中的应用在现代科技中，储存和转换电能的需求越来越高，超级电容器由于其高功率密度和长寿命等优点而备受瞩目。
其中，碳纳米管材料是超级电容器中理想的电极材料之一。
本文将从碳纳米管的结构特点、制备方法以及在超级电容器中的应用等方面进行探讨。
一、碳纳米管的结构特点碳纳米管是由若干层具有六元环结构的碳原子构成的管状结构，其直径通常在1~100纳米之间。
碳纳米管的特殊结构赋予其独特的电学、光学、力学和导热等性质，其中主要包括以下几个方面：1.良好的导电性:碳纳米管具有良好的电导率和电子迁移率，可用于制备高性能电子器件。
2.优异的力学性能:碳纳米管具有极高的模量和强度，较好的韧性和弹性，可用于制备高性能纳米机械器件。
3.优异的光学性能:碳纳米管在红外波段具有良好的透光性，可用于制备高效率的光电器件。
二、碳纳米管的制备方法目前，碳纳米管主要有化学气相沉积法、电弧等离子体放电法、激光热解法、电化学方法等多种制备方法。
这些方法各有特点，但都需要一定的设备和技术条件。
1.化学气相沉积法:该方法是通过在高温下一定气氛下沉积碳原子来制备碳纳米管，其优点是操作简便，但缺点是制备的碳纳米管质量不高。
2.电弧等离子体放电法:该方法是利用直流电弧等离子体在高温下沉积碳原子制备碳纳米管，其优点是制备出来的碳纳米管质量高，但设备复杂，成本较高。
3.激光热解法:该方法是利用激光加热碳源来制备碳纳米管，其优点是制备出的纳米管尺寸分布较小，质量高，但设备复杂，制备周期长。
4.电化学方法:该方法是通过在电解质溶液中加入碳源，利用外加电压在电极上沉积碳纳米管。
该方法简单易行，无需高温高压，但制备出的纳米管尺寸分布不均匀。
三、碳纳米管材料可用于制备超级电容器的电极材料，主要有两种方法：一种是利用碳纳米管的高表面积制备电极材料；另一种是将碳纳米管与其他电极材料复合制备电极材料。
1.利用碳纳米管的高表面积制备电极材料:碳纳米管单层结构的表面积相对较大，可以提高电极材料的活性表面积，从而提高电容器的能量密度和功率密度。
碳纤维电极材料的研究与应用
碳纤维电极材料的研究与应用近年来，碳纤维材料作为一种轻质、高强度、高性能材料，已逐渐成为各个领域研究的热点。
其中，碳纤维电极作为一种非常重要的应用，广泛应用于电池、电容器、传感器和光伏电池等领域。
本文将介绍碳纤维电极材料的研究与应用。
一、碳纤维电极材料的制备方法碳纤维电极材料的制备方法主要分为化学气相沉积法、炭黑葡萄糖凝胶法、炭化聚合物前驱体法和浸润碳化法等几种方法。
化学气相沉积法是一种通过高温反应来制备碳纤维的方法。
在反应中，碳源和催化剂被加热至高温，产生的碳物质会沉积成碳纤维。
炭黑葡萄糖凝胶法是一种利用炭黑和葡萄糖混合物，在高温条件下进行炭化反应来制备碳纤维的方法。
炭化聚合物前驱体法是一种利用有机聚合物来制备碳纤维的方法。
在这种方法中，聚合物经过高温处理后会转化为碳纤维。
浸润碳化法是一种将无定形碳材料浸渍进去的方法，然后通过高温处理来制备碳纤维，并且可以在浸润过程中控制碳化的密度和结构。
二、碳纤维电极材料的性能特点碳纤维电极材料具有质轻、高强、导电性好、生物相容性好等特点。
而且由于其具有微纳结构，能够提高电极与电解质之间的接触面积，因此含有碳纤维电极的电池具有更高的电化学性能。
碳纤维电极材料还具有很强的化学惰性，能够在各种强酸、强碱、有机溶剂等恶劣环境下使用。
此外，碳纤维电极还具有较好的抗氧化性能，可以使电池的使用寿命更长。
三、碳纤维电极材料在电池中的应用碳纤维电极材料在电池中的应用主要包括：（1）锂离子电池现代电子产品使用的锂离子电池，如手机、笔记本电脑、相机等，通常使用碳纤维电极材料制成。
碳纤维电极材料可以提高电池的能量密度和循环寿命。
（2）锂空气电池锂空气电池是一种新型高能量密度电池，由于其具有较高的理论能量密度，因此在电动汽车、无人机等领域被广泛使用。
碳纤维电极材料可以提高锂空气电池的电化学性能，提高电池的能量密度和循环寿命。
（3）超级电容器超级电容器是一种高效能、高功率、长寿命的电能储存装置，与传统的电池比较，具有大容量、快速充放电等优点。
多孔材料的电化学的应用
多孔材料的电化学的应用多孔材料是指由许多孔隙构成的材料，这些孔隙可以是微小的、细小的或者粗大的，其尺寸范围通常在奈米到毫米之间。
多孔材料具有高度的表面积、良好的通透性和可调节的孔径大小，在电化学领域具有广泛的应用，主要包括超级电容器、锂离子电池、燃料电池和电解水制氢等方面。
本文将重点介绍多孔材料在超级电容器和锂离子电池中的应用。
超级电容器是一种新型的储能装置，它具有高能量密度、高功率密度和长循环寿命等优点，被广泛应用于能量回收、电动汽车和可再生能源等领域。
多孔材料可以作为超级电容器电极的载体，提供了更高的表面积和更好的电荷传递性能。
常见的多孔电极材料包括碳纳米管、氧化物和聚合物等。
以碳纳米管为例，由于其具有较小的孔径和大的表面积，能够提供更多的活性表面用于储存电荷。
此外，碳纳米管的导电性能优异，能够快速传递电荷，提高超级电容器的电荷-放电效率。
因此，将碳纳米管制备成多孔结构可以显著提高超级电容器的性能。
例如，使用碳纳米管制备的多孔电极材料在实验中展现了较高的电容量和较长的循环寿命。
锂离子电池是目前最主流的可充电电池，其具有高能量密度、长循环寿命和较低的自放电率等优点。
多孔材料在锂离子电池中的应用主要体现在正负极材料和电解质方面。
多孔材料常被用作正极材料的载体，能够提供更大的表面积和更好的锂离子嵌入/脱出性能。
例如，二氧化钛（TiO2）是一种常用的正极材料，其电化学性能可以通过调节孔隙结构来提高。
多孔TiO2具有较大的表面积和较短的离子扩散路径，有利于提高锂离子的扩散速度和嵌入/脱出动力学。
因此，多孔TiO2在锂离子电池中表现出了较高的循环稳定性和倍率性能。
此外，多孔材料也可以用作电解质的吸附剂，提高锂离子电池的离子传输速率。
例如，石墨烯氧化物（GO）可以被制备成多孔结构，并且具有优异的离子吸附性能。
将多孔GO作为电解质添加剂可以提高锂离子电池的离子传输速率和循环稳定性。
总结起来，多孔材料在电化学领域具有广泛的应用前景。
多级孔炭的制备
第一部分文献综述1.1多孔炭的定义、分类及研究背景根据国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)的定义，多孔炭材料(porous material) 可根据它们孔直径的大小分为三类：孔径大于50nm的孔为大孔材料(macropore material)，孔径小于2nm 的孔为微孔材料(micropore material)，孔径介于2nm～50nm的孔为介孔材料(mesopore material)[1]。
多级孔炭材料是指具有不同孔隙结构的新型炭素材料。
多孔炭材料具有耐高温、耐酸碱、导电、导热等一系列特点，已在气体和液体的精制与分离以及电子工业、生物材料和医学等诸多领域得到广泛的应用。
随着现代科技的飞速发展，多孔炭材料的应用领域在不断的扩展，近年来还陆续开发了适用于各种不同应用目的的多孔炭材料新品种，除作为吸附、分离材料外，作为催化材料、电子能源材料、生物工程材料的应用也陆续得到研究和开发，人们对于多孔炭材料的要求也越来越高。
多孔炭材料是一种最常用的吸附剂，通常由煤炭或木材加工而成。
多孔炭材料以其价廉和性能优越，在废水处理、吸附催化、催化载体、超级电容器等[2~6]方面的应用越来越广泛，市场需求也越来越大，而原有原材料煤炭和木材随着世界资源的紧张和森林保护意识的加强，显得尤为短缺。
因此，开发新型原材料制备多孔炭材料是当前研究的的热点方向，国内外学者探讨了采用椰壳、果皮、废旧轮胎、沥青等制备多孔炭材料[7~10]，取得了一定的成果。
具有不同孔径分布和比表面积的多孔炭作为一种功能性炭材料，其在不同领域的用途也比较明确。
以微孔(<2nm)为主的多孔炭材料主要吸附小分子，可用于气体分离与纯化、吸附储存天然气等；以中孔(2~50 nm)为主的多孔炭材料能够吸附大分子，可担载触媒、药剂，用作化学反应的催化剂或催化剂载体、离子交换材料和电极材料等；以大孔(>50 nm)为主的多孔炭材料可担载细菌、微生物，使无机炭材料发挥生物机能，还可用作绝热、隔音材料等[11]。
新型纳米炭材料的研究与应用
新型纳米炭材料的研究与应用随着科学技术的不断发展，各种新型材料层出不穷，其中纳米材料备受关注。
纳米材料具有很多独特性质，例如尺寸效应、表面效应和量子限制效应等。
新型纳米炭材料是近年来备受科学家们研究的一种重要材料。
本文将从新型纳米炭材料的概念、研究现状和应用前景三个方面进行探讨。
一、新型纳米炭材料的概念新型纳米炭材料是指由纳米尺寸碳材料构成的一种新型材料。
它包括纳米炭纤维、多孔炭材料、纳米金刚石等多种形式。
新型纳米炭材料具有导电性、导热性、机械强度高、分子吸附性能好、化学稳定性高等独特性质。
它们的材料结构比传统的碳材料更加复杂，具有更高的表面积和更多的活性位点，因此在电化学、催化、分离、吸附、储能等方面具有广泛的应用前景。
二、新型纳米炭材料的研究现状1. 纳米炭纤维的研究纳米炭纤维是一种由纳米尺度的碳纤维组成的材料。
它具有高比表面积、机械强度高、导电性好和化学稳定性高等特点。
近年来，科学家们研究了纳米炭纤维的制备方法和应用。
目前，纳米炭纤维主要应用于电化学储能领域，例如超级电容器、锂离子电池、燃料电池等方面。
同时，纳米炭纤维还可以用于催化、分离和吸附等方面。
2. 多孔炭材料的研究多孔炭材料是一种由粉末炭、活性炭等制备而成具有多孔结构的材料。
它具有高比表面积、良好的吸附性能和高温稳定性等特点。
多孔炭材料的制备方法有很多种，例如气相渗透法、溶胶-凝胶法、静电纺丝法等。
多孔炭材料可以用于催化、分离、吸附、储能、传统能源替代等方面。
例如，多孔炭材料可以用于制备高效催化剂、制备高效吸附材料等。
3. 纳米金刚石的研究纳米金刚石是指具有纳米尺度结构的金刚石材料。
它具有高硬度、高强度、高导热性、高耐磨性等特点。
科学家们研究了纳米金刚石的制备和应用。
目前，纳米金刚石主要应用于磨料、润滑、生物医学等领域。
例如，纳米金刚石可以用于制备高性能润滑油、生物传感器等。
三、新型纳米炭材料的应用前景新型纳米炭材料具有广泛的应用前景。
多孔碳材料的制备及其应用
多孔碳材料的制备及其应用
多孔碳材料的制备及其应用
一、什么是多孔碳材料
多孔碳材料是指具有一定的孔隙度和孔径分布的碳材料。
它具有大的
比表面积、良好的化学稳定性和导电性能，因此在多个领域有着广泛
的应用。
二、多孔碳材料的制备方法
1. 碳化方法：通过碳化有机物质得到多孔碳材料。
常用的碳源有聚合物、生物质和天然矿物。
制备方法包括高温炭化、半焦炉碳化和气相
碳化等。
2. 模板法：将具有孔隙度的材料作为模板，在其表面包覆一定的碳源，再进行炭化处理，即可得到多孔碳材料。
常用的模板材料有硅胶、纳
米颗粒、纤维素等。
3. 化学法：利用化学反应在材料表面或内部引入孔道，得到多孔碳材料。
常用的化学处理包括氧化、酸洗、碱洗等。
三、多孔碳材料的应用领域
1. 电化学储能领域：多孔碳材料在锂离子电池和超级电容器中有着广
泛的应用，因其具有大的比表面积和导电性能。
2. 气体吸附领域：多孔碳材料在吸附剂领域有着重要的应用，如制备
吸附天然气的催化剂、空气净化等。
3. 催化剂领域：多孔碳材料可以制备成各种形貌的催化剂，具有高度的催化性能和选择性，应用于催化加氢、催化裂化、脱氮等反应。
4. 生物医学领域：多孔碳材料可以用于药物递送、生物成像等，具有良好的生物相容性和生物活性。
总之，多孔碳材料具有广泛的应用前景，不断发展和创新制备方法，将会在各个领域得到更为广泛的应用。
静电纺丝法制备的多孔碳纳米纤维
静电纺丝法制备的多孔碳纳米纤维李静;乔辉;魏取福【摘要】用静电纺丝法制备了聚丙烯腈(PAN)/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)复合纳米纤维,经预氧化、高温炭化,制备用作锂离子电池负极材料的碳纳米纤维(CNF).透射电子显微镜(TEM)和比表面积分析发现:制备的CNF具有多孔结构,比表面积达到572.9 m2/g,平均孔径为33.6 nm.以50 mA/g的电流在0.01～ 3.00V循环,制备的多孔CNF的首次放电比容量为333.3 mAt/g,第20次循环的可逆比容量为231.8 mAh/g,充放电效率近90％.%Polyacrylonitrile (PAN)/poly(methyl methacrylate) (PMMA) composite nanofibers were prepared by electrospinning technique,then porous carbon nanofibers (CNF) as anode material for Li-ion battery were obtained by pre-oxidation and high temperature carbonation. The analyses of transmission electron microscopy (TEM) and specific surface area showed that the as-prepared CNF had porous structure,the specific surface area was 572.9 m2/g,the mean pore size was 33.6 nm. When cycled in 0.01 - 3.00 V with the current of 50 mA/g,the initial specific discharge capacity of the as-prepared porous CNF was 333.3 mAh/g, the reversible specific capacity was 231.8 mAh/g at the 20th cycle, the charge-discharge efficiency was near 90% .【期刊名称】《电池》【年(卷),期】2011(041)003【总页数】3页(P132-134)【关键词】静电纺丝法;碳纳米纤维(CNF);多孔结构;负极材料;充放电性能【作者】李静;乔辉;魏取福【作者单位】江南大学纺织服装学院,生态纺织教育部重点实验室,江苏无锡214122;江南大学纺织服装学院,生态纺织教育部重点实验室,江苏无锡214122;江南大学纺织服装学院,生态纺织教育部重点实验室,江苏无锡214122【正文语种】中文【中图分类】TM912.9锂离子电池所用的碳负极材料,主要为石墨类材料和低温热解碳。
纤维素基碳材料及其在超级电容器中的应用进展
文章编号:1001-9731(2021)02-02078-07纤维素基碳材料及其在超级电容器中的应用进展*李丹妮1,白秋红1,舒羽2,白林1,陈邦1,李聪1,申烨华1,宇山浩1,3(1.西北大学化学与材料科学学院合成与天然功能分子教育部重点实验室,西安710127;2.西北大学食品科学与工程学院,西安710069;3.大阪大学工学研究科,日本大阪,565-0871)摘要:能源枯竭和环境污染问题日益严重,新型可持续能源的开发迫在眉睫㊂超级电容器作为电化学能量存储设备,具有容量大㊁功率密度高㊁循环寿命长等优势,逐渐成为研究热点㊂纤维素是自然界中广泛存在的一种天然高分子化合物,具有绿色㊁环保㊁可持续㊁成本低的特点,制备的碳材料有独特的孔结构和大的比表面积,使其在超级电容器方面的应用成为一个主要研究方向㊂通过对碳材料的孔结构调控和表面改性,或与电容较高的其他材料进行复合,可以明显提高碳材料比电容和能量密度,使超级电容器电化学性能提高㊂本文总结了近年来国内外纤维素基碳材料制备方法㊁性能调控及其在超级电容器方面的应用进展㊂最后,对纤维素基碳材料未来的研究方向和发展进行了展望㊂关键词:纤维素;碳材料;复合材料;性能调控;超级电容器中图分类号: O646文献标识码:A D O I:10.3969/j.i s s n.1001-9731.2021.02.0100引言随着人口增长和人类社会的发展,化石能源例如煤炭㊁石油等不可再生能源的过度消耗及其所造成的环境污染问题,已引发了一系列严重的社会危机㊂开发新能源或新型储能能力强㊁可再生的储能系统成为当今能源领域重要的研究方向[1]㊂超级电容器作为电化学储能设备,凭借功率密度高㊁充放电快㊁循环寿命长㊁成本低㊁无污染等优势吸引了人们广泛关注[2],其主要由电极材料㊁电解质㊁集流体和隔膜组成[3]㊂超级电容器按照储能机理主要分为两类:双电层电容器和法拉第赝电容器[4],前者主要依靠电极表面离子吸附储存电荷,而赝电容器通过电极材料和电解液之间快速可逆的氧化还原反应实现电荷储存㊂在各部分组件中,电极直接影响其电荷储存能力,故电极性能对超级电容器性能至关重要㊂目前超级电容器电极材料主要有碳材料㊁金属氧化物和导电聚合物等[5]㊂碳材料由于其孔结构可控㊁导电率高㊁比表面积大㊁理化性能稳定等特点,成为超级电容器理想的电极材料[6]㊂1纤维素碳材料制备方法纤维素是自然界中含量最丰富的天然高分子聚合物之一,具有可再生㊁无毒㊁可降解的特性[7],并且占植物界碳含量50%以上,有天然的独特结构和层次孔隙,是制备碳材料的优良原料㊂纤维素来源主要包括两类,以木材和农业废弃物例如果壳㊁秸秆㊁果皮㊁甘蔗渣等为代表的天然纤维素和细菌纤维素㊂纤维素碳材料由于其比表面积大和表面多孔等独特性质被广泛用于超级电容器电极材料[8]㊂纤维素碳材料的制备方法主要有直接碳化法㊁活化法㊁水热法㊁模板法㊁微波辅助法等㊂直接碳化法所需反应温度高,反应时间长,得到的多孔碳材料孔隙度较低,近年来已经不太单独使用,本文对其不再赘述㊂1.1活化法1.1.1物理活化法物理活化法,或称热活化,高温下以水蒸气㊁C O2等为活化剂,碳表面活性位点与通入的气体发生反应,将碳表面蚀刻的同时,达到开孔造孔效果㊂J u n g等[9]采用棕榈壳㊁核桃壳和腰果壳为原料, C O2为活化气体,通过物理法制备活性炭,每种生物质最终所得活性炭的表面积为700~810m2/g,且所有活性炭均具有微孔性质㊂1.1.2化学活化法化学活化法是用化学试剂对碳材料进行侵蚀,形成具有多孔和较大比表面积的生物质碳材料,所需炭化温度一般在500~800ħ之间,相比物理活化法低㊂一般常用的化学活化法试剂包括K O H㊁Z n C l2㊁H3P O4等㊂870202021年第2期(52)卷*基金项目:国家重点研发计划资助项目(2019Y F D1002400);陕西省重点研发计划国际科技合作一般项目资助项目(2019KW-041);国家自然科学基金资助项目(21975203);榆林市科技计划资助项目(2016-15-3)收到初稿日期:2020-08-07收到修改稿日期:2020-12-23通讯作者:舒羽,E-m a i l:y_s h u@n w u.e d u.c n;申烨华,E-m a i l:y h s h e n@n w u.e d u.c n作者简介:李丹妮(1996 ),女,陕西宝鸡人,硕士研究生,师承申烨华教授,从事生物质碳材料的制备及储能应用研究㊂C a i等[10]采用腰果壳为原料,先预碳化后与K O H 以不同质量比混合活化加热,得到生物质碳材料㊂实验显示碱碳质量比为4ʒ1时碳材料比表面积最大,为2742m2/g,总孔体积为1528c m3/g㊂根据两种活化方法的原理和特点,表1列出了物理活化法和化学活化法优缺点㊂表1物理活化法和化学活化法优缺点T a b l e1P h y s i c a la c t i v a t i o na n dc h e m i c a la c t i v a t i o nh a v e a d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e s方法物理活化法化学活化法优点不使用化学试剂,对环境友好性较高制备的碳材料孔隙率高,可通过改变工艺参数调整孔径大小缺点活化时间长,温度高,活化剂量大,耗能高,经济投入大引入大量化学试剂,腐蚀设备,污染环境,所得碳材料易有化学药品残留,后续处理费时费力1.2水热法水热法是将含碳物质置于水热反应釜中,以水为反应溶剂,高温高压下一种脱水脱羧的加速煤化过程㊂相对于物理活化法和化学活化法,水热法对实验要求低,更环保㊂Y e等[11]以锦葵坚果壳为原料,结合水热法和K O H活化得到碳材料㊂水热处理前碳材料比表面积仅28.3m2/g,水热处理后经K O H活化的碳材料比表面积达到1842m2/g,其中微孔率为88%㊂水热法与传统热解技术相比,碳转化率高,反应条件温和,其脱水脱羧过程为放热过程,为反应提供了部分热能,因此耗能低㊂并且处理设备简单,操作方便,是有广阔发展前景的生物质能源转换技术[12]㊂1.3模板法模板法是一种以多孔材料为模板,以含碳的生物质小分子为碳源,通过一定的方法将碳源注入模板的孔道中,使其聚合㊁固化,然后通过高温碳化形成碳和模板的混合体,最后除去模板而得到生物质碳的方法[13]㊂朱文均等[14]采用生物模板,将柚子皮既做碳源又做模板,与高锰酸钾通过化学浸渍和煅烧处理制成氧化锰/碳复合材料㊂柚子皮模板原位转变为碳基体,同时M n O颗粒均匀负载于碳基体形成M n O/C复合材料,有效缩短电子和离子的传输路径,促进电化学反应进行㊂在0.2A/g电流密度下循环100次后可逆容量依旧保持在664m A h/g,在3A/g大电流密度下,可逆容量仍有441m A h/g㊂1.4微波辅助法微波辅助法是近年来制备活性炭的新方法,相对于传统的加热加压方法,其具有高效㊁非接触㊁快速㊁均匀㊁操作简便等优点[15-16]㊂D u rán-J i mén e z等[17]使用微波技术研究不同输入功率和反应时间下山核桃果壳的热解,将所得碳材料和直接碳化法的碳材料对比,表明微波加热可以得到与直接碳化法相似结构参数的微孔碳材料,且微波加热处理时间仅3m i n(常规加热则需要268m i n)㊂目前,微波辅助作为活性炭制备的新技术,虽不及传统方法使用广泛,但其优势特点不容忽略,未来在碳材料制备方面将会有更广泛的应用㊂2纤维素基碳材料性能调控及其在超级电容器中的应用在各种超级电容器电极材料中,碳基材料导电性好㊁比表面积大㊁化学惰性,应用广泛[18]㊂碳材料的储能机理主要基于电荷在电极表面的储存,研究发现通过对碳材料的孔结构调控和表面改性,或与电容较高的材料复合,可提高碳材料比电容和能量密度,使超级电容器电化学性能提高并且有更高效和广泛的应用㊂2.1孔结构调控现已有各种方法来调控生物质碳材料的孔大小和形状㊂如加入不同种类添加剂,或改变碳材料制备方法等来改变孔的形状㊁大小或孔的分布状态,从而提高碳材料的性能㊂O k o n k w o等[19]以富含氮的螺旋藻提取物为添加剂,K O H为活化剂,将蓖麻壳粉与两者混合浸渍㊂高温加热后形成具有独特的互连网络结构氮掺杂微介孔结构材料(C S S K),比表面积为1527m2/g㊂螺旋藻提取物添加剂和K O H的共同作用控制蓖麻壳粉的碳化过程,形成了微介孔结构㊂除加入添加剂外,一些其他技术手段也可以起到调控碳材料孔结构的作用㊂Z h a n g等[20]选用落叶松木屑为碳源,采用生物质液化技术,通过硅源原位掺杂法制备碳材料㊂通过掺杂模板很好地调节碳材料形态和多孔结构,最佳实验条件下制得的材料显示出丰富的孔结构,具有较大的孔径分布(1~10n m)㊂2.2表面改性除了孔结构调控,碳材料表面官能团的引入以及材料表面基团的改变,能改变材料的亲水性和润湿性,增加活性位点,改善碳材料的电化学性能㊂表面改性主要通过杂原子掺杂实现碳材料性能调控,常见的杂原子掺杂包括氮㊁氧㊁磷㊁硫等㊂S h a n g等[21]采用鱼腥草为碳源,鱼腥草预碳化得到活性炭,将活性炭与K O H和三聚氰胺以不同质量比混合煅烧得到3D分级多孔氮掺杂纳米结构碳(N-H N C)材料,其比表面积为2090m2/g,氮含量最高可达到8.66%(质量分数)㊂海藻酸钠是氧含量丰富的有机物㊂白秋红等[22]采用细菌纤维素为碳源,海藻酸钠为氧源,将其和海藻酸钠复合后经K O H浸渍碳化活化,得到海藻酸钠/细菌纤维素多孔复合碳材料㊂由图1a~c可看出,其具有3D连续网络结构,且树枝骨架中包含微米级别孔㊂在5A/g电流密度下循环10000次后电容仍有93.8%的保持率(图1d所示)㊂97020李丹妮等:纤维素基碳材料及其在超级电容器中的应用进展图1多孔复合碳材料在不同放大倍数下的S E M图(a~c);10000次循环后电容保持率(5A/g电流密度)(插图显示充放电曲线)(d)[22]F i g1S E Mi m a g e s o f p o r o u s c o m p o s i t em a t e r i a l s a t d i f f e r e n tm a g n i f i c a t i o n(a-c);C a p a c i t a n c e r e t e n t i o n a f t e r10,000c y c l e s(5A/g c u r r e n t d e n s i t y)(i n s e t s h o w s c h a r g e-d i s c h a r g e c u r v e)(d)[22]此外,羧甲基纤维素也是氧含量较高的有机物㊂舒羽等[23]以羧甲基纤维素㊁细菌纤维素和柠檬酸为碳源和氧源,通过一步碳化活化法制备了分级结构复合多孔碳材料(H P C)㊂得到的复合多孔碳材料具有2490m2/g 的高比表面积和7.3%的氧含量㊂图2所示为不同温度条件下H P C的氮气吸附-解吸等温线和孔径分布曲线,等温线呈现I V型结构,说明H P C中含有介孔㊂此外,宽的孔径分布(0~90n m)说明材料中含有微孔,介孔和大孔㊂在电流密度0.5A/g下比电容达到350F/g,并且10000次充放电循环后,仍有96%的电容保持率㊂图2不同温度下H P C的氮气吸附-解吸等温线(a)和孔径分布曲线(b)[23]F i g2N i t r o g e n a d s o r p t i o n-d e s o r p t i o n i s o t h e r m(a)a n d p o r e d i a m e t e r d i s t r i b u t i o n c u r v e s(b)o fH P Ca t d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s[23]聚丙烯腈(P A N)是一种常用的富氮聚合物,舒羽等[24]选用杏壳为碳源,聚丙烯腈为氮源,采用热致相分离法构筑了氮掺杂杏壳/聚丙烯腈多孔复合碳材料(N D P M C)㊂由图3a~d扫描电镜图可知,N D P M C具有3D多孔结构㊂在1A/g电流密度下,比电容达到442F/g,在10A/g时,电容仍然能保留81%,具有高的比电容和优异的倍率性能㊂这种高的比电容主要是由于碳材料含有高的吡咯氮(~44.6%(原子分数))和吡啶氮(~37. 8%(原子分数)),并且在20A/g电流密度下恒电流充放电循环5000次后,电容保持率为98%,由图3e所示㊂080202021年第2期(52)卷图3 不同的杏壳/聚丙烯腈质量比下制备碳材料S E M 图,5w t %(a ),10w t %(b ),15w t %(c ),30w t %(d );N D -P M C 在20A /g 电流密度下5000次循环的电容保持率(插图显示前5次和后5次的循环)(e )[24]F i g 3S E Mi m a g e s o fA S A C /P A Nc a r b o n m a t e r i a l sw i t hd i f f e r e n tw e i gh t r a t i o s ,5w t %(a ),10w t %(b ),15w t %(c ),30w t %(d );C a p a c i t a n c e r e t e n t i o nr a t eo fN D P M Cf o r 5000c y c l e s a t 20A /g c u r r e n td e n s i t y(i n s e t s h o w s t h e f i r s t 5a n d l a s t 5c yc l e s )(e )[24]2.3 纤维素碳基复合材料纤维素碳基复合材料是将纤维素基碳材料和其他材料,如石墨烯和碳纳米管㊁导电聚合物以及过渡金属氧化物等复合,得到的复合材料不仅具备了生物质碳材料的多孔率和高比表面积,同时具备其他材料优良的电化学性能,可以有效提高超级电容器整体性能㊂2.3.1 碳/碳复合材料碳/碳复合材料是指纤维素基碳材料和其他碳材料复合,例如石墨烯㊁碳纳米管等㊂已有很多将石墨烯用于复合材料的研究,石墨烯的添加可以加快离子的扩散速度,并且有效降低了离子传送的路程[25,26]㊂刘雨璇等[27]将椰壳通过水蒸气活化法制备出活性炭,采用水热法与石墨烯通过高温水热复合,制备出的复合材料应用于超级电容器,其中比电容为186F /g,而单一的活性炭比电容仅为85F /g,表明复合材料有更良好的电化学性能㊂纤维素碳材料大的比表面积和碳纳米管的良好传导作用结合,可以增加复合材料的比电容和能量密度,形成的复合材料也具有很好的电化学性能㊂P a l i s o c等[28]采用Z n C l 2为活化剂,辣木果壳为碳源,通过化学活化法制得活性炭,将得到的活性炭和多壁碳纳米管(MW C N T )混合制成超级电容器电极㊂MW C N T 良好的导电性和活性炭大的比表面积协同作用,增大了超级电容器的比电容和能量密度㊂2.3.2 碳/导电聚合物复合材料导电聚合物是具有共轭π键的聚合物通过掺杂形成的一类特殊高分子材料,主要有聚苯胺(P A N I )㊁聚吡咯(P P y)㊁聚噻吩(P T h )等,其中聚苯胺和聚吡咯在超级电容器中应用最广泛[29]㊂熊前程等[30]以香烟滤嘴(主要成分为醋酸纤维素)为原料,采用原位聚合法与聚吡咯复合碳化后制备出复合碳材料㊂扫描电镜图如图4c 所示,可以看到聚吡咯沉积在纤维上,复合材料表面粗糙,有利于化学活化过程活化剂的渗透㊂得到的复合碳材料比表面积为图4 香烟滤嘴(a ),聚吡咯(b )和香烟滤嘴/聚吡咯复合材料(c ㊁d );香烟滤嘴/聚吡咯基复碳合材料比电容在5A/g 时随循环次数的变化(e )[30]F i g 4S E Mi m a g e s o fU C F (a ),P P y (b ),a n dU C F /P P y c o m p o s i t e (ca n dd );v a r i a t i o no f s p e c i f i c c a pa c i t a n c e w i t hc y c l en u mb e r o fc -U C F /P P y a t 5A /g(e )[30]18020李丹妮等:纤维素基碳材料及其在超级电容器中的应用进展3420m2/g,在1A/g的电流密度下比电容达到263F/g㊂5A/g电流密度下循环5000次后电容保持率为90%,循环稳定性如图4e所示㊂2.3.3碳/过渡金属氧化物复合材料过渡金属氧化物由于快速可逆的法拉第反应,被认为是高能量密度超级电容器的理想电极之一㊂但过渡金属氧化物受其电化学反应的有限活性位点的限制,并且在载体材料上没有很好的分散或负载时,团聚会引起更高的接触电阻等副作用,将对其能量存储性能产生负面影响[31]㊂研究表明,与高比表面积的生物质碳基材料复合,可以有效防止过渡金属氧化堆积和团聚,使其在碳材料表面均匀分散㊂Z h o u等[32]将油茶壳通过化学活化法制成生物质碳,在电流密度0.5A/g时电容值仅为146F/g㊂在生物质碳表面涂覆一层M n O2薄层,M n O2/生物质碳的电容显著提高,电流密度0.5A/g时电容为1126F/g㊂经过3000次循环,电容保持约97%㊂S i n a n等[33]同时采用水热法和模板法,将F e S O4㊁榛子壳和醋酸镁混合进行水热反应,醋酸镁形成氧化镁充当模板,反应后用稀乙酸除去模板㊂碳化后所得的磁铁矿-碳纳米复合粉末F e3O4/C㊂复合材料比表面积为344m2/g,在电流密度1A/g时,1m o l/L N a2S O4电解质中比电容为136F/g㊂能量和功率密度分别为27.2W h/k g和705.5W/k g㊂F e3O4/C纳米复合材料还显示出稳定的循环性能,在2A/g下循环充放电1000次,电容没有衰减㊂3结语纤维素在自然界中有丰富的储量并且绿色环保,以其为原料制备的生物质碳材料具有丰富的孔洞结构和大的比表面积,是超级电容器理想的电极材料㊂纤维素基生物质碳材料可以通过表面改性及与其他材料复合等方式,使其同时具备双电层电容和法拉第赝电容,显著增强超级电容器整体的电化学性能㊂但是,生物质碳材料受其先天结构影响,孔结构存在一定的局限性,作为超级电容器电极材料,在高电流密度下充放电时,电子传输速率慢,倍率性能较差㊂因此,如何更好的利用生物质自身形貌结构优势并且调控碳材料从而使其电化学性能进一步提高仍需要继续研究㊂不可否认的是,纤维素作为一种自然界最丰富的可持续绿色能源,未来将在超级电容器,乃至其他能源领域中有更广阔的应用和发展㊂既解决能源和环境问题的同时,又避免了资源的浪费,实现了废弃资源的高值转换与利用,对推动我国的经济发展具有积极作用㊂参考文献:[1] B i ZH,K o n g Q Q,C a oYF,e t a l.B i o m a s s-d e r i v e d p o r o u sc a r b o n m a t e r i a l s w i t hd i f fe r e n td i m e n s i o n sf o rs u p e r c a-p a c i t o re l e c t r o d e s:a r e v i e w[J].J o u r n a l o f M a t e r i a l sC h e m i s t r y A,2019,7(27):16028-16045.[2] L i uS M,L i a n g Y R,Z h o u W,e t a l.L a r g e-s c a l e s y n t h e s i so f p o r o u s c a r b o n v i a o n e-s t e p C u C l2a c t i v a t i o n o f r a p e p o l-l 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og e n-d o p e dr e d u c e dg r a p h e n e o x i d eh y b r i da sa ne x c e l l e n t c a r b o n a c e o u ss c a f-f o l d t o l o a d M n O2n a n o w a l l(P A N In a n o r o d)a sb i f u n c-t i o n a l m a t e r i a lf o rh i g h-p e r f o r m a n c es u p e r c a p a c i t o ra n d o x y g e nr e d u c t i o nr e a c t i o nc a t a l y s t[J].J o u r n a lo fP o w e r S o u r c e s,2020,447:227387.[6] Z h a n g Y,L i uL,Z h a n g PX,e t a l.U l t r a-h i g hs u r f a c e a r e aa n dn i t r o g e n-r i c h p o r o u sc a rb o n s p r e p a r e db y a l o w-t e m-p e r a t u r e a c t i v a t i o nm e t h o dw i t hs u p e r i o r g a s s e l e c t i v e a d-s o r p t i o n a n d o u t s t a n d i n g s u p e r c a p a c i t a n c e p e r f o r m a n c e[J].C h e m i c a l E n g i n e e r i n g J o u r n a l,2019,355:309-319.[7] Z h a n g XF,L iH,Z h a n g W,e t a l.I n-s i t u g r o w t ho f p o l y-p y r r o l eo n t ob a m b o oc e l l u l o s e-d e r i v e dc o m p r e s s i b l ec a r-b o na e r o g e l sf o rh i g h p e r f o r m a nc es u p e r c a p a c i t o r s[J].E l e c t r o c h i m i c aA c t a,2019,301:55-62.[8] M a r tín e z-C a s i l l a sDC,M a s c o r r o-G u t i e r r e z I,A r r e o l a-R a m o sCE,e t a l.As u s t a i n a b l ea p p r o a c ht o p r o d u c ea c t i v a t e dc a r b o n sf r o m p e c a n n u t s h e l l w a s t e f o r e n v i-r o n m e n t a l l y f r i e n d l y s u p e r-c a p a c i t o r s[J].C a r b o n,2019,148:403-412.[9]J u n g SH,O hS J,C h o i GG,e t a l.P r o d u c t i o n a n d c h a r a c-t e r i z a t i o no f m i c r o p o r o u s m i c r o p o r o u sa c t i v a t e dc a r b o n sa n dm e t a l l u r g i c a lb i o-c o k ef r o m w a s t es h e l lb i o m a s s[J].J o u r n a l o f A n a l y t i c a la n d A p p l i e d P y r o l y s i s,2014,109: 123-131.[10]C a iN,C h e n g H,J i n H,e t a l.P o r o u s c a r b o nd e r i v e d f r o mc a s h e wn u t h u s kb i o m a s sw a s t e f o rh i g h-p e r f 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e p l e t i o na n de n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o nh a v eb e c o m e i n c r e a s i n g l y s e r i o u s,a n d t h ed e v e l o p m e n t o f n e ws u s t a i n a b l e e n e r g y s o u r c e s a n d/o r n o v e l e n e r g y s t o r a g e a n d c o n v e r s i o n s y s t e mi s i mm i-n e n t f o r u s.A sa ne l e c t r o c h e m i c a l e n e r g y s t o r a g ed e v i c e,s u p e r c a p a c i t o r sh a v em a n y a d v a n t a g e s,s u c ha s l a r g e c a p a c i t y,h i g h p o w e r d e n s i t y,a n d l o n g l i f e,f a s t c h a r g i n g a n d d i s c h a r g i n g,a n dh a v e g r a d u a l l y b e c o m e a r e s e a r c h f o c u s.C e l l u l o s e i sak i n do fn a t u r a l p o l y m e rc o m p o u n d w i d e l y e x i s t i n g i nn a t u r e,i n c l u d i n g c e l l u l o s ed e r i v e d f r o m p l a n t s a n db a c t e r i a l c e l l u l o s e.I th a s t h e c h a r a c t e r i s t i c so f g r e e n,r i c h,e n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l y,s u s t a i n-a b l e a n d l o wc o s t,a n dc e l l u l o s eh a v eb e e nc o n s i d e r e da s i m p o r t a n t c a n d i d a t e f o r p r e p a r a t i o no f p o r o u s c a r b o n d u e t ou n i q u e a d v a n t a g e s a n dh i g h c a r b o n c o n t e n t.B e c a u s e o f i t s u n i q u e p o r e s t r u c t u r e a n d l a r g e s p e c i f i c s u r f a c e a r e a,t h e a p p l i c a t i o no f c e l l u l o s e-b a s e dc a r b o n m a t e r i a l sa n dt h e i rc o m p o s i t e s i ns u p e r c a p a c i t o r sh a sb e c o m ea m a j o r r e s e a r c hm a i nd i r e c t i o n.T h e s p e c i f i c c a p a c i t a n c e a n d e n e r g y d e n s i t y o f t h e c a r b o nm a t e r i a l c a nb e s i g n i f i-c a n t l y i m p r o v e d b y a d j u s t i n g t h e p o r e s t r u c t u r e a n d s u r f a c em o d i f i c a t i o n o f t h e c a r b o nm a t e r i a l,o r b y c o m b i n i n g c a r b o nm a t e r i a lw i t ho t h e rm a t e r i a 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多孔纳米碳纤维的制备及其在超级电容器中的应用研究3牛 强,张孝彬,程继鹏,刘 芙,周胜名,聂安民,谭俊军,崔白雪,周丽娜(浙江大学硅材料国家重点实验室,浙江杭州310027)摘 要: 利用溶胶凝胶燃烧法制备了碱金属氧化物掺杂的铜催化剂,并使用这种催化剂在不同的温度、掺杂比例下通过热CVD法合成出了具有多孔分叉结构的纳米碳纤维。
通过TEM、HR TEM、B ET和激光拉曼光谱等手段对产物进行表征,显示这种纳米碳纤维的比表面积可高达1162m2/g,远高于普通的碳电极材料,并且具有非常丰富的中孔结构,克服了常规碳纳米纤维在应用中表现出的相对有效利用面积不大,比电容不高等缺陷,具备做电极材料的潜力。
在将其应用于超级电容器电极材料后,利用二次电池测试仪及电化学工作站对其进行了循环伏安曲线及恒流充放电曲线的测试,结果显示这种纳米碳纤维具有良好的电化学电容行为,电极的可逆性良好,并且比电容值高达203F/g。
这些发现将有助于碳纳米材料可控制备的研究,并且提供了一种有一定应用潜力的超级电容器电极材料。
关键词: 化学气相沉积;碱金属;多孔纳米碳纤维;超级电容器中图分类号: O613.71文献标识码:A 文章编号:100129731(2009)022*******1 引 言超级电容器是近年来出现的一种介于传统电容器和电池之间的新型储能元件,它的能量密度大,比充电电池功率密度高,而且可快速充放电,使用寿命长,是一种新型、高效、实用的能量存储装置,在一些情况下能代替电池,并且在大功率,大电流器件等的应用领域十分广泛的应用前景[1,2]。
提高超级电容器性能的关键是寻找合适的电极材料,目前研究较多的有碳材料、金属氧化物和导电聚合物等单一电极材料以及复合电极材料。
综合制备工艺,成本因素以及性能表现,我们把研究重点放在了新型的碳纳米纤维上[3]。
常规碳纳米纤维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陷。
所以,将纳米碳纤维用于超级电容器的关键就是设法使它具有特殊的结构[4～6]。
这里我们制得了一种具有多孔分叉结构的纳米碳纤维,证明此纤维具有优异的电化学储能性,十分适于作为超级电容器的电极材料。
具体来说,我们利用特殊的碱金属氧化物掺杂制得了新型的催化剂,继而利用热CVD合成出的这种多孔纳米碳纤维在具有常规碳纤维的优异性能的同时,还具有非常丰富的中孔,较高的比表面积[7～10]。
并且在将其用作超级电容器电极材料后的各项测试中,表现出良好的电化学电容行为。
这些发现将有助于碳纳米材料可控制备的研究,并且提供了一种有一定应用潜力的超级电容器电极材料。
2 实 验2.1 催化剂的制备本实验中所用的催化剂采用简单的燃烧法制得。
将KNO3,Cu(NO3)2・3H2O和Mg(NO3)2・3H2O 按n(K)∶n(Cu)∶n(Mg)=0.3∶1∶2的摩尔比混合,并添加柠檬酸作为助燃剂,在蒸馏水中混合溶解形成透明溶液。
将溶液转移至瓷舟,并置于500℃的马弗炉中,溶液迅速燃烧,待完全燃尽后,取出石英舟,冷却至室温。
最后将泡沫状的燃烧物研磨成粉末,即得到制备多孔分叉纳米碳纤维的催化剂。
2.2 多孔纳米碳纤维的制备将炉温升至675℃,以600ml/min的速度通氮气5min,排除生长炉中石英管内的空气,接着按v(C2H2)∶v(N H3)∶v(N2)=100∶300∶200的比例,以600ml/min的速率通入3种气体的混合气,当气流和温度稳定后,将0.2g催化剂均匀铺在石英舟上,推至生长炉中段恒温区进行生长。
反应30min后停止,在氮气氛围下冷却至室温,并收集黑色产物即为制备所得多孔纳米碳纤维。
2.3 多孔纳米碳纤维电极超级电容器的制作首先将纳米碳纤维粗产物进行纯化处理以除去产物中的催化剂残余:以v(HNO3)∶v(H2SO4)=3∶1的体积比配制酸溶液,将纳米碳纤维粗产品浸泡入酸溶液中,超声波振荡5h后取出,置入离心机中反复离心、清洗至p H值约为7,再放入恒温烘箱中以95℃的温度恒温干燥。
以9∶1的质量比将纳米碳纤维与聚四氟乙烯(P TFE)=9∶1的质量比,在纳米碳纤维中加入P T2 FE乳液混合均匀,加蒸馏水调至乳胶状,均匀地涂覆在泡沫镍极片上,置于恒温干燥箱中在80℃下恒温干413功 能 材 料 2009年第2期(40)卷3基金项目:国家自然科学基金资助项目(50571087)收到初稿日期:2008207221收到修改稿日期:2008209227 通讯作者:张孝彬作者简介:牛 强 (1984-),男,陕西西安人,在读硕士,师承张孝彬教授,从事碳纳米材料的研究。
燥,再在2M Pa 压力下压制成型。
将压制好的极片浸泡在6mol/L 的KO H 溶液中24h ,在真空条件下使固体电极中的空气排出,使电解液充分进入电极孔洞。
使用两片极片、以聚丙烯薄膜为隔膜、6mol/L 的KO H 溶液为电解液组装成超级电容器单元模型。
2.4 测试与表征采用场发射扫描电镜(FESEM )(FEI ,Sirion )观察碳纳米材料的形貌;利用透射电子显微镜(TEM )(J E 2OL ,J EM 2200CX )观察催化剂及产物的微结构;用物理吸附仪Quanta chrome Inst rument s NOVA 1000e 测试电极材料的比表面积及孔分布;用PCB T 213828D 电池程控测试仪测试超级电容器结构单元的性能;用CH I660B 电化学分析仪测试电极的循环伏安特性。
3 结果与讨论3.1 多孔纳米碳纤维的显微结构图1是多孔纳米碳纤维的透射电镜照片。
从图1中可以看到纳米碳纤维呈分叉状,分支直径分布在100～500nm ,长度达数微米。
分叉纳米碳纤维有别于常规的纳米碳纤维,具有明显的多孔状结构,这些孔没有规则的形状。
但是分布比较均匀,并且数量很多。
图1 多孔纳米碳纤维TEM 照片Fig 1The TEM image of t he CN Fs3.2 多孔纳米碳纤维的形成机理碳纳米纤维的合成方法主要为化学气相沉积法,其中铁、钴、镍等过渡金属一直被认为是合成纳米碳纤维所必需的催化剂。
而金属铜由于其d 壳层电子被填满,使吸附的小分子不能与金属发生键合,从而影响了其催化性能,金属铜和碳的结合能低,所以很难形成稳定的铜2碳化物,因此铜被普遍认为不能用作合成碳纳米纤维的金属催化剂[9]。
通过碱金属的掺杂,可以改变铜的外层电子密度,从而提高Cu 催化剂的表面活性。
催化剂颗粒表面生长纳米碳纤维和3个不同的界面/区域有关,催化剂/气体界面决定了碳源气体和催化剂结合并最终分解的方式;催化剂本身的化学性质决定了碳原子的溶解度和扩散速率;催化剂/固态碳界面的方向决定了产物的结构形态。
在我们的实验中,通过碱掺杂改善了催化剂表面的活性,由于碳原子在铜催化剂里的溶解度很低,所以我们推断碳原子的运输方式是表面扩散。
金属催化剂颗粒对石墨的润湿程度影响着产物的形态,润湿性越好,产物的石墨化程度越高,由于铜和碳的结合力弱,因此铜催化剂更倾向于生长无定形的碳纳米结构,例如多孔纳米碳纤维结构。
图2是一张催化剂颗粒及多孔纳米碳纤维的TEM 照片,可以看出纳米碳纤维在催化剂颗粒表面生长的方式,类似于“八爪鱼”结构。
图2 催化剂颗粒及多孔纳米碳纤维TEM 照片Fig 2The TEM image of CN Fs grown f rom t he cata 2lyst particle 3.3 比表面积及孔分布测试表1是多孔纳米碳纤维B ET 的测试结果,其中比表面积达1162m 2/g ,远高于常规热CVD 法制备的纳米碳纤维(50～350m 2/g )。
表1 多孔纳米碳纤维B ET 测试结果Table 1The B ET test of CN FsC(F/g )S BET(m 2/g )V mi(cm 3/g )V me(cm 3/g )CNFs29711620.451.96 可从图3的孔分布曲线看出,纳米碳纤维以中孔为主。
这为电解质离子提供了充足的运输通道,此外它的微孔比一般纳米碳管丰富,能吸引更多的电解质离子。
图3 多孔纳米碳纤维的孔分布曲线Fig 3The apert ure curve of CN Fs3.4 电化学测试恒流充放电法是研究电极材料比容量常用的方法之一。
考虑到超级电容器单元由两个相同的电极串连构成,同时考虑双电极质量的加和等因素,电极材料的比电容计算公式为[11]:C p =4×i ×Δt ΔV ×m ×a %×100 其中C p 为单个电极的质量比容量,单位为F/g ,m513牛 强等:多孔纳米碳纤维的制备及其在超级电容器中的应用研究为纳米碳管电极的总质量,a %为活性物质在电极材料中的百分含量,i 为充放电电流,Δt 和ΔV 分别表示充放电过程中时间差和电位差[5]。
对超级电容器单元进行恒流充放电测试,充放电电流为5mA ,将电容器充电至0.9V ,然后恒流放电至0.02V 。
图4是多孔纳米碳纤维电极恒流充放电曲线。
图4 多孔纳米碳纤维电极恒流充放电曲线Fig 4Galvano static charge 2discharge curves of EDL Csbuild f rom CN Fs 恒流充放电曲线中电位2时间呈线性关系,也就是说恒流充放电曲线的斜率d V /d t 基本上是恒定的,表现出理想的电容特性。
此外,图形对称性好,表明了多孔纳米碳纤维电极的功率特性好,充放电效率高,电极反应的可逆性良好。
利用公式:C =It ΔV计算比容量,其中C 为总电容量;I 为充放电电流;t 为充放电时间;ΔV 为电势变化。
多孔纳米碳纤维电极的比电容量高达297F/g ,高于常规的纳米碳材料。
根据双电层原理,对于理想的双电层电极而言,双电层在电极/电解液界面迅速形成,改变电压扫描方向瞬间,电流能迅速达到稳态,因此其循环伏安曲线呈现标准的对称矩形曲线[4]。
本实验通过三电极体系来研究多孔纳米碳纤维电极的循环伏安特性曲线,如图5所示。
图5 多孔纳米碳纤维的循环伏安曲线Fig 5The circular curve of volt 2ampere built fromCN Fs 多孔纳米碳纤维电极的循环伏安曲线在电极的工作电势窗内无明显氧化还原峰,电流相应值基本恒定,阴极过程和阳极过程基本对称,表明该电极以恒定速度进行充放电,电极的电位变化对电极的容量没有明显的影响,电极和电解液之间的电荷交换以恒定的速率进行,同时也说明多孔纳米碳纤维电极在该电位窗口具有良好的稳定性,这和恒流充放电曲线测试的结果一致。
4 结 论利用碱金属掺杂的铜催化剂,以乙炔为碳源,氮气为载气,氨气为掺杂气氛合成出了多孔碳纳米材料,并分析了它的生长机理。