蜂窝状多孔纳米碳纤维膜的电纺制备及其超级电容器应用

摘要

碳材料作为超级电容器电极材料具有导电性好、比表面积高、耐热耐酸碱、对环境无污染、成本低等优点，纳米碳材料由于源于其纳米尺度的优异性能一直备受关注。本文以聚丙烯腈(PAN)为前驱体，利用静电纺丝过程中发生的自组装现象制备了蜂窝状排列的多孔聚丙烯腈纳米纤维膜，通过高温碳化获得了纳米碳纤维膜，利用SEM、TGA、FT-IR、Raman等测试手段研究了PAN多孔纤维膜的制备和碳化工艺；最后利用电化学工作站研究了蜂窝状多孔纳米碳纤维膜作为超级电容器电极的电化学性能。
　　研究发现聚合物分子量、溶液浓度、环境温湿度、电纺参数(包括电压、针尖到基底间距、时间)等对制备蜂窝状多孔聚丙烯腈纳米纤维膜的自组装过程都有影响。SEM测试结果表明，通过对上述各参数进行优化，可以制备得到形貌较规整的多孔纤维膜。
　　其次本文研究了预氧化升温速率、预氧化温度、收集基底以及碳化温度对蜂窝状多孔聚丙烯腈纳米纤维膜碳化工艺的影响。预氧化升温速率过快会引起多孔纤维膜开裂。FTIR测试结果表明250℃时预氧化程度已经比较完全。碳化处理时，只有自支撑形式的多孔纳米纤维膜能够保持连续完整的形貌，基底的存在会使碳化过程中的产生的应力无法释放而造成膜严重开裂。Raman谱表明随着碳化温度的升高，多孔碳纤维膜的石墨化程度也随之提高。
　　最后利用循环伏安、恒流充放电和交流阻抗测试研究了多孔碳纤维纳米膜用作超级电容器电极的电化学性能。循环伏安曲线典型的矩形特征表明该电极材料具有良好的可逆性。在不同充放电电流密度下均得到了较高的比电容，电容性能大大优于常规无序纳米碳纤维膜。其中电流密度为420mA/g时得到的120.23F/g比电容值与活性碳纤维的比电容相当。交流阻抗测试得到的 Nyquist曲线表明多孔碳纤维膜对于电解质离子扩散的阻力很小。蜂窝状多孔纳米碳纤维膜应用在超级电容器方面有很大的潜力。