钒氧化物掺杂碳纤维复合物材料的制备及在超级电容器中的应用

摘要

钒氧化物在作为赝电容器电极材料时，因其具有较宽的电压区间以及较高的能量密度受到广泛关注，但其较差的电子导电性和较低的功率密度极大的限制其电化学性能充分的发挥。一维碳纳米纤维具有良好的导电性、较高的功率密度及良好的结构稳定性。本文利用电纺丝基碳纤维（CNFs）作为载体，将碳纤维与钒氧化物结合形成复合物，考察复合物作为赝电容器电极材料的电化学性能。期望能够获得一种导电性良好、循环稳定性好的电极材料，具体研究内容如下：
　　（1）利用静电纺丝和高温碳化制备了系列的碳纤维负载钒氧化物（VOx/CNFs）复合物，将复合物不使用导电剂和粘合剂直接应用到赝电容器电极材料中，测试其电化学性能。测试结果表明，当纺丝前驱液中VO(acac)2/PAN=1/10，碳化温度为500℃时，电化学性能最佳。对其进行SEM、TEM、XRD、XPS等表征，表明该复合物以纤维形态无定向延伸交织成网状结构，且钒氧化物以无定型的V2O5均匀的分散在碳纤维中，制得了V2O5/CNFs复合物。
　　（2）以上一步实验为基础，改变预氧化温度和碳化过程，制备了碳纤维负载不同价态钒氧化物复合材料（V2O3/CNFs、VO2-V2O5/CNFs），并利用热重分析碳纤维负载不同价态钒氧化物的形成原因。将复合物应用到赝电容器的电极材料中，测试其电化学性能，并对比不同电极材料的电化学性能。电化学测试表明，当碳纤维负载不同价态钒氧化物应用到电极材料中时，V2O5/CNFs复合物的电化学性能最佳。
　　（3）以制备V2O5/CNFs的实验方式为基础，选择聚苯乙烯（PS）为制孔剂，制备系列多孔碳纳米纤维负载钒氧化物复合物（VMCNFs）。经表征，多孔结构以内部中空孔道轴向分布在碳纤维内部，钒氧化物以无定型的V2O5均匀的分散在多孔碳纤维内部。将复合物应用到赝电容器电极材料，测试其电化学性能。电化学测试表明，当PS的摩尔掺入量为0.5时，复合物电化学性能最佳，多孔结构的引入促进了电极材料与电解液的充分接触，提高复合物的电化学性能。
　　综上，将钒氧化物与碳纤维相结合，并引入多孔结构，可制得导电性良好、循环稳定性高的赝电容器电极材料。本论文的研究为制备电化学性能良好的赝电容器电极材料提供新思路。

目录

声明

第一章 绪论

1.1钒氧化物概述

1.2钒氧化物复合物电极材料的研究进展

1.3论文研究意义及内容

第二章 碳纤维负载V2O5复合材料的制备及其电化学性能

2.1实验药品

2.2实验仪器

2.3实验部分

2.4结果与讨论

2.5 本章小结

第三章 碳纤维负载不同钒氧化物的制备及其电化学性能

3.1 V2O3/CNFs复合材料的制备

3.2 VO2-V2O5/CNFs复合材料的制备

3.3本章小结

第四章 不同价态钒氧化物形成原因分析及电化学性能对比

4.1实验药品

4.2实验仪器

4.3实验部分

4.4结果与讨论

4.5 本章小结

第五章 多孔碳纤维负载V2O5复合物的制备及其电化学性能

5.1实验药品

5.2实验仪器

5.3实验部分

5.4结果与讨论

5.5本章小结

结论

参考文献

致谢

硕士期间主要研究成果

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