静电纺丝法制备氮掺杂多孔碳纤维及其复合材料在电化学方面应用研究

摘要

碳材料因具有稳定性好、导电率高等特点，被认为是双电层电容器的最佳电极材料。在众多不同结构的碳材料中，碳纤维由于具有良好的导电性、连续性及柔韧性而备受人们青睐。但是由于碳材料分散性和离子亲和性较差限制了它们的应用，研究者们通常通过掺杂氮、硼等杂原子，来提高它们的性能。本论文采用静电纺丝法，以含氮聚合物为前驱体制备氮掺杂多孔碳纤维，探究其作为超级电容器电极材料的性能。并以其作为基材制备复合材料，研究其协同作用对锂电性能的影响。具体内容如下:
　　(1)以PAN（聚丙烯腈）、PVP（聚乙烯吡咯烷酮）为碳源和氮源，SiO2作为造孔剂，利用静电纺丝法制备混合纤维。经高温碳化后，利用碱溶液将SiO2刻蚀除去，得到氮掺杂多孔碳纤维。通过透射电镜、扫描电镜、X-射线衍射、拉曼光谱、氮气吸附脱附等手段，对该材料的形貌、结构、比表面积及孔径分布等特性进行表征。然后采用三电极体系，1MH2SO4作为电解液，测试不同孔隙率及不同碳化温度下所得碳材料的循环伏安和恒流充放电性能。结果表明，利用SiO2造孔制备得到的氮掺杂多孔碳纤维(NCNF)，其电容性能明显增强。在1 Ag-1的电流密度下，其比电容为192.7 F g-1，远高于无SiO2加入的纯碳纤维（13.8 Fg-1），且具有良好的循环稳定性。
　　(2)利用上述制备方法，将SnO2/SiO2与PAN、PVP进行混合静电纺丝。经高温碳化过程，SnO2被碳还原为Sn。最后用碱溶液将SiO2刻蚀除去，得到Sn/NCNF复合纤维。通过调节SnO2/SiO2的量来制备不同Sn负载量的复合材料，对其形貌、结构晶型、锂电性能等进行研究。利用电池测试系统对所得不同负载量产物进行锂电性能测试，结果表明当SnO2/SiO2与PAN/PVP质量比为0.5∶1时制备得到的Sn/NCNF复合纤维具有最佳的循环稳定性及比容量。在电流密度为500 mAg-1时，平均比容量为400 mAh g-1。
　　(3)以第一部分制备得到的氮掺杂多孔碳纤维为基材，利用微波反应法在碳纤维表面负载SnO2，再经400℃煅烧。改变SnC14·5H2O浓度制备不同SnO2负载量的纤维材料，对其形貌、结构、锂电性能等进行表征。实验表明，SnCl4·5H2O与氮掺杂多孔碳纤维的质量比为14∶1时，制备得到的复合材料具有良好的循环稳定性及较高的比容量。在电流密度为100 mA g-1时，平均比容量为432mAh g-1。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 超级电容器

1．2．1 超级电容器概述

1．2．2 双电层电容器的结构和原理

1．3 锂离子电池

1．3．1 锂离子电池的发展概述

1．3．2 锂离子电池的工作原理

1．4 碳材料在超级电容器及锂离子电池中的应用

1．4．1 概述

1．4．2 硬碳

1．4．3 碳纳米管

1．4．4 石墨烯

1．5 静电纺丝技术

1．5．1 概述

1．5．2 静电纺丝技术的原理研究

1．5．3 静电纺丝成纤维形貌的影响因素

1．6 本课题研究的意义及研究思路

1．6．1 本课题的研究意义

1．6．2 本课题的研究思路

参考文献

第二章 NCNF的制备及其电容性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验仪器与试剂

2．2．2 样品的制备

2．2．3 电极的制备

2．3 材料的制备原理与表征

2．3．1 实验原理

2．3．2 NCNF的结构和形貌表征

2．3．3 NCNF的直径及结构表征

2．3．4 NCNF的FTIR表征

2．3．5 NCNF的XPS及元素分析表征

2．4 材料的电化学性能测试

2．4．1 循环伏安性能研究

2．4．2 充放电性能和倍率性能

2．4．3 不同NCNF的电化学性能研究

2．4．4 不同碳化温度对电化学性能的影响研究

2．4．5 循环稳定性能研究

参考文献

第三章 Sn／NCNF的制备及其锂电性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验仪器与试剂

3．2．2 样品的制备

3．2．3 电池的组装

3．3 材料的制备原理与表征

3．3．1 实验原理

3．3．2 Sn／NCNF的结构和形貌

3．3．3 不同Sn含量的Sn／NCNF的结构表征

3．4 Sn／NCNF材料的电性能研究

3．4．1 循环性能研究

3．4．2 充放电性能研究

3．4．3 比容量性能研究

3．4．4 倍率性能研究

参考文献

第四章 SnO2／NCNF的制备及其锂电性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验仪器与试剂

4．2．2 样品的制备

4．2．3 电极的制备

4．3 材料的制备原理与表征

4．3．1 实验原理

4．3．2 SnO2／NCNF的结构和形貌表征

4．3．3 不同SnO2含量的SnO2／NCNF的结构表征

4．4 SnO2／NCNF材料的电性能研究

4．4．1 循环性能研究

4．4．2 充放电性能研究

4．4．3 比容量性能研究

4．4．4 倍率性能研

参考文献

第五章 结论

硕士学位期间已发(待发)论文

致谢

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