细菌纤维素基碳纤维的制备及在超级电容器中的应用

作     者：张芳平 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：袁国辉

授予年度：2016年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：超级电容器 碳纤维 活化改性 掺杂改性 比电容 

摘      要：作为超级电容器电极材料,碳纤维与其他材料相比具有导电性好,机械强度高、比表面积大和结构稳定等优势,但根据超级电容器工作原理可知碳材料的比容量不太理想。研究表明通过活化改性或掺杂改性可以提高碳材料的比电容。而细菌纤维素(BC)是一种由细菌分泌的具有高结晶度、高比表面积和高聚合度的材料,将其作为电极材料前驱体用于超级电容器在结构和来源上均具有优势。因此,本课题选用BC为碳纤维前驱体进行了研究,对所制备的碳纤维进行改性并考察其电化学性能的变化。本课题的主要研究内容及结果如下:(1)在800000℃内用不同温度对冷干的BC进行碳化处理得到了纳米碳纤维材料。SEM图片显示得到的碳纤维材料为纳米尺寸的纤维丝组成的三维网络结构。XRD测试表明材料为无定形碳。经电化学测试知,900℃碳化材料电化学性能最好,电流密度从0.5 A/g增加到6 A/g时比电容由85.78 F/g降至66.02 F/g;4 A/g,500次充放电循环后比电容保持率为99.47%,体现了该材料良好的倍率性能和循环稳定性。(2)活化改性:分别以KOH和H3PO4为活化剂,以冷干BC为原料,采用一步碳化活化工艺制备得到了活性纳米碳纤维材料。SEM图表明KOH活化改性的纳米碳纤维由纳米尺寸的纤维构成。BET测试表明KOH改性的材料比表面积从直接碳化的385.43 m2/g增加到477.05 m2/g。KOH和H3PO4改性材料在0.5 A/g下比电容值分别为114.44 F/g和101.08 F/g,4 A/g电流500次循环后比电容均保持在98.60%以上。(3)掺杂改性:(1)以尿素或NH4H2PO4为掺杂源,冷干BC为原料一步碳化掺杂制备纳米碳纤维材料;(2)以BC匀浆为原料,在BC基体上原位合成聚吡咯,再以H3PO4为磷源和活化剂对其浸泡,一步碳化活化掺杂得到掺杂活性纳米碳纤维。SEM表明原位聚吡咯/H3PO4改性的碳纤维丝表面均匀的包覆着一层含杂元素的粒径大小不一的小颗粒。红外光谱测试和XPS分析均表明三种方法制备的材料中均引入了N-5、N-6和N-Q等含氮官能团,NH4H2PO4和原位聚吡咯/H3PO4活化掺杂材料中均引入了C-PO3、C2-PO2和C-O-P等含磷官能团。改性后材料的比容量得到了很大的提高,N-CBC、NP-CBC-51和Py-P-CBC-52三种材料电极在0.5 A/g下的比电容分别为122.20 F/g、150.37 F/g和240.00 F/g;5 A/g下比电容分别为86.78 F/g,137.67 F/g和187.22 F/g。以4 A/g电流充放电循环500次后比电容分别为首次的99.19%,96.64%和97.20%。