活性炭纤维网状体复合材料的制备及其应用性能研究

摘要

从富勒烯、碳纳米管到石墨烯，21世纪被预言为“超碳时代”。在碳材料家族里，应用历史最悠久的当属活性炭材料。几千年来，活性炭材料因其高度发达的孔隙构造，以及丰富的表面基团，广泛应用于环境、化工、医药、催化等领域。近年来，活性炭材料的双电层储电性能使其在电化学电容器的电极材料中得到了新的应用。日新月异的合成技术给活性炭材料的发展带来了新的活力。如今，纤维状活性炭的开发使连续的宏观体材料的构筑成为可能，为活性炭材料的应用提供了更为广阔的发展空间。
　　本论文以梭织平纹组织、斜纹组织、纬平纹添纱组织、纬平纹组织、缎纹组织五种编织结构的棉织物为原料，通过高温还原反应合成网络状活性炭纤维结构体。该网状体秉承棉织物编织结构，可反复扭转、弯曲，且具有一定的拉伸性能。纬平纹与纬平纹添纱组织的网状体表现出较好的拉伸性能，其中纬平纹添纱组织的网状体断裂伸长率达32％，可以在应用过程中与周围材料形成良好的配伍性。缎纹组织和斜纹组织的网状体表现出相对较高的拉伸强度。相对于原织物，活性炭纤维网状体的拉伸性能得到较好保留，纬平纹添纱组织的活性炭纤维网状体的伸长率仅损失7％。同时，五种编织结构的活性炭纤维网状体均表现出良好的导电性。
　　对活性炭纤维网状体进行功能材料的表面包覆。采用水热法在活性炭纤维网状体表面负载一维NiCo2O4。充分利用网状体的力学特点和电学特性，构筑全电化学活性材料的柔性复合电极。NiCo2O4纳米棒长约1μm，直径约为30～50 nm，由活性炭纤维表面向外发散生长，纳米棒之间彼此分离，因此NiCo2O4能有效的与电解质接触。活性炭纤维自身的孔道结构可以加速电子传输，表面的一维纳米结构可以提高离子在二维或准二维空间的传输速率（法拉第准电容效应），从而提高复合电极性能。复合电极的最高比电容达1402.7 F·g-1（电流密度为2 mV·cm-2）。循环充放电1000次（电流密度为20 mV·cm-2）的比电容衰减了21.1％。在拉伸20％的工作条件下，复合电极呈现出几乎相同的电化学性能。
　　采用电化学沉积法在活性炭纤维网状体表面负载Cu2O。利用Cu2O光催化降解有机物和活性炭纤维的物理吸附特点构建治理污染效率更高的复合材料。Cu2O纳米立方体表现出比Cu2O纳米球更好的光催化降解甲基橙的性能。pH等于9条件下制备的立方体Cu2O复合材料的光催化性能最佳，光照3.5 h后，中性甲基橙溶液的脱色率已达到95.9％。酸性环境下，复合材料前期脱色较快，但后期脱色效率较低。当甲基橙浓度大于10 mg·L-1时，立方体Cu2O复合材料的脱色效率随着甲基橙的浓度增大而减小。当甲基橙的浓度小于10 mg·L-1时，脱色效率的增加不再显著。立方体Cu2O复合材料重复使用六次后的脱色率依旧保持在83.0％(光照3.5 h)。
　　本论文基于全棉织物的原料选择，在石油资源日渐枯竭、纺织技术成熟发展的今天，为活性炭体材料提供了一种更为可持续发展、可设计的合成路线。论文同时对活性炭纤维网状体的表面功能化进行了大量研究，为活性炭材料的应用发展提供了更多的可能性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 碳材料的发展

1．2 ACF简介

1．2．1 ACF的结构与功能

1．2．2 ACF的生产工艺

1．2．3 ACF的应用

1．3 ACF复合材料

1．4 论文的研究方案和研究意义

参考文献

第二章 活性炭纤维网状体的制备

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验设计

2．2．2 实验材料与实验仪器

2．2．3 CNW的制备

2．2．4 结构与性能表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 CNW的物相分析

2．3．2 CNW的形貌分析

2．3．3 CNW的拉伸性能分析

2．3．4 CNW的导电性

2．4 结论

参考文献

第三章 活性炭纤维网状体负载NiCo2O4纳米棒及其性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验设计

3．2．2 实验材料与实验仪器

3．2．3 CNW／NiCo2O4复合材料的制备

3．2．4 结构与性能表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 CNW／NiCo2O4的物相分析

3．3．2 CNW／NiCo2O4的形貌分析

3．3．3 CNW／NiCo2O4的力学性能分析

3．3．4 CNW／NiCo2O4的电化学性能分析

3．4 结论

参考文献

第四章 活性炭纤维网状体表面负载Cu2O及其性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验设计

4．2．2 实验原料与实验仪器

4．2．3 制备CNW／Cu2O复合材料

4．2．4 结构与性能表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 CNW／Cu2O结构表征

4．3．2 CNW／Cu2O对甲基橙的脱色性能

4．4 结论

参考文献

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

硕士期间学术成果

致谢