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纳米碳纤维(CNFs)作为一种新型纳米碳材料,具有优异的物理、力学性能和化学稳定性,在储氢、催化剂和催化剂载体、双电层电容器电极、复合材料等领域都有潜在的应用前景。目前,CNFs的主要制备方法有化学气相沉积法和静电纺有机前驱体法,后者能直接、连续制备聚合物纳米纤维但产率很低,无法满足大规模应用的需求。溶液喷射纺丝(Solution Blowing,简称SB)技术作为一种新型微纳米纤维制备技术,具有工艺简单、能耗低、生产效率高等优势,有望发展成为规模化制备纳米纤维的新技术。
本文以聚丙烯腈(PAN)为原料,利用SB制备了PAN纳米纤维,通过多级热牵伸、预氧化、碳化获得了纳米碳纤维,利用FESEM、DSC、TG-DTA、FTIR、XRD等测试手段研究了纺丝工艺、热处理工艺等对PAN纳米纤维、预氧化纤维及纳米碳纤维的结构与性能的影响;利用循环伏安(CV)、交流阻抗(EIS)和恒流充放电(CD)等测试研究了SB制备的CNFs的电化学性能,探讨了其作为超级电容器电极的电极材料的可行性。主要研究结论如下:
基于SB技术制备了平均直径为220 nm的PAN纳米纤维,研究发现,纤维的形貌受纺丝液质量分数、纺丝参数(包括牵伸风压、挤出速率、接收距离、箱体温度、针孔直径)等影响。优化的纺丝条件为:PAN的质量分数为12%、牵伸风压为0.1 MPa、挤出速率为11 ml/h、纺丝箱体温度为40℃、接收距离为80 cm、喷丝头内径为0.5 mm。
纳米纤维经多级牵伸后其取向性变好,纤维的直径分布集中。纤维经牵伸预氧化后其取向性进一步提高,纤维的直径也减小;经过一系列测试表明,预氧化温度为260℃、升温速度为5℃/min时预氧化程度较完全。碳化后纤维直径减小,经800℃碳化后得到平均直径为170 nm的CNFs。
利用电化学工作站对CNFs的电化学性能测试,CV曲线呈类矩形形状且曲线对称性好,表明电极具有良好的可逆性;CD曲线为对称性较好的类似等腰三角形形状,说明该电极材料充放电可逆性好。研究结果表明SB制备的CNFs具有较好的电化学性能,且以非织造材料形式存在,可直接作为超级电容器电极材料使用而不需要添加粘合剂,具有工艺简单、性能优越等优点。