生物质柔性碳质电极材料的制备及其性能研究

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作为电能储存和输送设备,碳基柔性超级电容器电极材料的研究应用在推动节能经济方面备受关注,其柔性、轻质、便携的特点,在一些应用领域显得极为重要。本文主要是在生物质纺织物纤维的基础上进行改性碳化制备电极材料,通过杂原子掺杂和造孔处理的方法,能够改善碳纤维的赝电容特性和增大比表面积,从而提高材料整体的电化学性能。本论文通过XRD、Raman、XPS、SEM和BET等手段对改性碳纤维电极材料的微观形貌、组成结构和比表面积进行了表征,并且研究测试了材料的电化学性能。首先,研究甲壳素纺织物在600-1000℃下碳化处理获得高性能超柔性碳纤维电极材料。在高温碳化的过程中,由于纤维组成成分的热分解,纤维表面变得粗糙。随着碳化温度的升高,碳纤维膜比表面积增大。除了具有超高的机械柔韧性外,碳膜电极在1Ag-1时的最大比电容高达112.6 Fg-1,且在5000次充放电循环后具有优异的循环性能,电容保持率达94.0%。其次,通过溶剂热法负载氮化碳于甲壳素纤维布,再高温碳化保温2 h的条件下进行煅烧处理,制备氮掺杂碳纤维膜电极材料,通过电化学研究优化了工艺条件。考虑到对苯二甲酸溶液对纤维结构中的组成成分的作用,用PTA预先处理对电化学性能的影响。对最佳优化条件下制备的高柔性碳纤维膜材料进行组成和结构表征。在1 Ag-1的电流密度下,碳纤维膜的比电容值最高可达到150.8 Fg-1,比未处理直接碳化的提高33.9%;经过3000次循环测试后,比电容保持率为88.7%。最后,以生物质材料竹纤维制成的纺织物为原料制备复合材料。将竹纤维纺织物260℃保温90 min,设置不同碳化温度下烧结制备的可折叠的高柔性碳纤维电极膜,随后对比探究经直接碳化处理、水热反应再碳化烧结制备的可折叠高柔性氮掺杂碳纤维电极膜。掺杂碳纤维电极膜的比电容值达到140.4 Fg-1,循环稳定性测试3000圈后比电容仍能达到122 Fg-1,且具有较好的倍率性能和阻抗特性。研究结果显示碳基材料的电化学性能表现良好。
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