氮掺杂活性碳纳米纤维/碳微球的制备及其电化学性能研究

发布时间：2024-05-14 23:33

　　超级电容器作为一种介于传统电容器和传统化学电源之间的新型储能装置,具有充放电速度快、使用寿命长、功率密度高、可长时间放置、低温性能优越等优点,被广泛应用于智能电网、军事、电动汽车及其他相关领域。电极材料作为超级电容器一个重要组成部分,是决定超级电容器性能的关键,所以,超级电容器的研究主要集中在制备高性能的电极材料上。静电纺丝／静电喷雾法制备得到的活性碳纳米纤维／活性碳微球,其作为电极材料具有比表面积大、孔隙率高、耐高温、导电性好等优点。碳基电极材料可以通过两种途径来提高比电容：(1)增大比表面积和控制孔径分布；(2)氮掺杂。本文以CA(醋酸纤维素)与PAN(聚丙烯腈)为前驱体聚合物,采用静电纺丝／静电喷雾技术,经过预氧化、碳化和活化等步骤得到CA/PAN基活性碳纳米纤维／活性碳微球。采用热重分析、扫描电镜、X射线衍射仪、Raman光谱、X光电子能谱和N2吸脱附等方法对材料的热稳定性、表面形貌、晶体结构、比表面积和孔结构等进行研究；使用循环伏安法和恒电流充放电法对纤维的电化学性能进行测试。其主要研究内容如下：(1)以CA与PAN为前驱体聚合物,采用静电纺丝法制备得到CA/PAN基活性碳纳...

【文章页数】：88 页

【学位级别】：硕士

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摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 引言
        1.1.0 超级电容器概述
        1.1.1 超级电容器的分类和组成
        1.1.2 超级电容器的工作原理
            1.1.2.1 双电层电容器
            1.1.2.2 赝电容器
            1.1.2.3 混合电容器
        1.1.3 超级电容器的优缺点
        1.1.4 超级电容器的应用
            1.1.4.1 电动和混合动力电动汽车
            1.1.4.2 电力系统
            1.1.4.3 电池
            1.1.4.4 可再生能源
            1.1.4.5 军事
    1.2 超级电容器电极材料
        1.2.1 碳基电极材料
            1.2.1.1 活性炭
            1.2.1.2 碳纳米管
            1.2.1.3 炭气凝胶
            1.2.1.4 石墨烯
            1.2.1.5 活性碳纤维
            1.2.1.6 碳微纳球
    1.3 静电纺丝
        1.3.1 静电纺丝的特点
        1.3.2 静电纺丝装置与原理
        1.3.3 静电纺丝的前驱体
    1.4 静电喷雾
    1.5 活性碳纳米纤维电极材料电化学性能的影响因素
        1.5.1 比表面积与孔径分布
        1.5.2 表面官能团
        1.5.3 导电性
        1.5.4 异原子掺杂
    1.6 论文选题目的、意义和研究内容
        1.6.1 目的和意义
        1.6.2 研究内容
    参考文献
第二章 CA/PAN基碳纳米纤维的制备及其电化学性能表征
    2.1 引言
    2.2 实验部分
        2.2.1 实验试剂及仪器
        2.2.2 实验方法
            2.2.2.1 CA/PAN纺丝液前驱体的配制
            2.2.2.2 CA/PAN纳米纤维的制备
            2.2.2.3 CA/PAN活性碳纳米纤维的制备
            2.2.2.4 CA/PAN纳米纤维的形貌表征(SEM)
            2.2.2.5 CA/PAN纳米纤维的热重表征
            2.2.2.6 CA/PAN活性碳纳米纤维的XRD与Raman表征
            2.2.2.7 CA/PAN活性碳纳米纤维的BET表征
            2.2.2.8 CA/PAN活性碳纳米纤维的X光电子能谱(XPS)表征
            2.2.2.9 电化学表征
    2.3 结果与讨论
        2.3.1 CA与PAN不同配比的影响
            2.3.1.1 形貌表征(SEM)
            2.3.1.2 热重表征
            2.3.1.3 XRD与Raman表征
            2.3.1.4 BET表征
            2.3.1.5 X光电子能谱(XPS)表征
            2.3.1.6 电化学表征
        2.3.2 碳化温度的影响
            2.3.2.1 XRD与Raman表征
            2.3.2.2 BET表征
            2.3.2.3 电化学表征
        2.3.3 活化浸渍比(KOH：CNF)的影响
            2.3.3.1 XRD与Raman表征
            2.3.3.2 BET表征
            2.3.3.3 电化学表征
        2.3.4 活化时间的影响
            2.3.4.1 XRD与Raman表征
            2.3.4.2 BET表征
            2.3.4.3 电化学表征
    2.4 结论
    参考文献
第三章 氮掺杂碳纳米纤维的制备及其电化学性能表征
    3.1 引言
    3.2 实验部分
        3.2.1 实验试剂及仪器
        3.2.2 实验方法
            3.2.2.1 CA/PAN纺丝液前驱体的配制
            3.2.2.2 CA/PAN纳米纤维的制备
            3.2.2.3 CA/PAN活性碳纳米纤维的制备
            3.2.2.4 氮掺杂CA/PAN活性碳纳米纤维的制备
            3.2.2.5 氮掺杂CA/PAN活性碳纳米纤维的XRD与Raman表征
            3.2.2.6 氮掺杂CA/PAN活性碳纳米纤维的X光电子能谱(XPS)表征
            3.2.2.7 电化学表征
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 XRD与Raman表征
        3.3.2 X光电子能谱(XPS)表征
        3.3.3 电化学表征
            3.3.3.1 循环伏安测试
            3.3.3.2 恒电流充放电测试
    3.4 结论
    参考文献
第四章 活性碳微球/氮掺杂活性碳微球的制备及其电化学性能表征
    4.1 引言
    4.2 实验部分
        4.2.1 实验试剂及仪器
        4.2.2 实验方法
            4.2.2.1 CA/PAN纺丝液前驱体的配制
            4.2.2.2 CA/PAN微球的制备
            4.2.2.3 CA/PAN活性碳微球(ACS)的制备
            4.2.2.4 氮掺杂CA/PAN活性碳微球(N-ACS)的制备
            4.2.2.5 微球的形貌表征(SEM)
            4.2.2.6 氮掺杂活性碳微球的XRD与Raman表征
            4.2.2.7 活性碳微球的BET表征
            4.2.2.8 氮掺杂活性碳微球的X光电子能谱(XPS)表征
            4.2.2.9 电化学表征
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 SEM与TEM表征
        4.3.2 XRD与Raman表征
        4.3.3 BET表征
        4.3.4 X光电子能谱(XPS)表征
        4.3.5 电化学表征
            4.3.5.1 循环伏安测试
            4.3.5.2 恒电流充放电测试
    4.4 结论
    参考文献
第五章 结论
攻读硕士期间所发表的论文及专利申请
致谢



本文编号：3973575