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电接枝聚乙烯亚胺改性碳纤维电极电化学性能及其电场响应研究

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兵工学报 2022年第11期43卷 2855-2865页

作者：许嘉威韩永康孙久哲付玉彬中国海洋大学材料科学与工程学院山东青岛266000

碳纤维电极表面氨基改性可以显著提高其电化学性能和电场响应性能。通过高温氧化和电化学接枝相结合的方法,在碳纤维表面接枝不同分子量(0.6K、1.8K、10K)聚乙烯亚胺分子来调控电极/海水界面双电层结构。实验发现,长分子链之间因氢键更... 详细信息

碳纤维电极表面氨基改性可以显著提高其电化学性能和电场响应性能。通过高温氧化和电化学接枝相结合的方法,在碳纤维表面接枝不同分子量(0.6K、1.8K、10K)聚乙烯亚胺分子来调控电极/海水界面双电层结构。实验发现,长分子链之间因氢键更强的相互作用更容易穿插交叠,形成稳定双电层结构。结果表明:PEI-10K的性能最佳,其比电容达到12.8 F·g^(-1),电荷转移电阻和低频容抗显著降低;配对电极的电位漂移量仅为0.05 mV/d,电极自噪声降为2.61 nV/sqrt(Hz),并且可以响应1 mHz、0.03 mV/m的低频弱电场信号;改性后碳纤维电极的响应灵敏度、准确度得到了显著提高,可用于制备高性能海洋电场传感器,提高水下电场探测能力。

关键词：碳纤维电极聚乙烯亚胺电化学接枝电化学性能电场响应特性

水合肼掺氮改性碳纤维电极电化学及电场响应性能

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兵工学报 2022年第2期43卷 363-371页

作者：孙久哲赵鸿浩韩永康许嘉威付玉彬中国海洋大学材料科学与工程学院山东青岛266000

碳纤维表面氮掺杂改性可望提高其电化学性能和电场响应性能。以水合肼为氮源改性粘胶基碳纤维,制备新型海洋电场电极,并探究改性前后电极电化学性能以及电场响应性能变化。结果表明:改性碳纤维电极电化学性能以及电场响应性能显著提高;... 详细信息

碳纤维表面氮掺杂改性可望提高其电化学性能和电场响应性能。以水合肼为氮源改性粘胶基碳纤维,制备新型海洋电场电极,并探究改性前后电极电化学性能以及电场响应性能变化。结果表明:改性碳纤维电极电化学性能以及电场响应性能显著提高;水合肼高温掺氮处理样品性能最佳,其比电容达到102.5 F/g,为空白组的18.99倍;电荷转移电阻和低频容抗显著降低;电极电位稳定性提高,能稳定响应1 mV、1 mHz低频率低强度电场信号,响应灵敏度、准确度显著提高。改性电极可用于制备高性能海洋电场传感器,提高水下电场探测能力。

关键词：碳纤维电极水合肼氮掺杂改性电化学性能电场响应性能

氨基酸改性碳纤维电极电化学及海洋电场响应性能

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兵工学报 2022年第2期43卷 434-441页

作者：韩永康赵鸿浩孙久哲许嘉威付玉彬中国海洋大学材料科学与工程学院山东青岛266100

碳纤维表面引入含氧、含氮官能团,可提高其电化学性能和电场响应性能。将谷氨酸、甘氨酸、赖氨酸作为含氧、含氮官能团载体,在碳纤维表面接枝一层分子膜,通过扫描电子显微镜、红外吸收光谱等手段进行表面表征,并结合循环伏安曲线、电化... 详细信息

碳纤维表面引入含氧、含氮官能团,可提高其电化学性能和电场响应性能。将谷氨酸、甘氨酸、赖氨酸作为含氧、含氮官能团载体,在碳纤维表面接枝一层分子膜,通过扫描电子显微镜、红外吸收光谱等手段进行表面表征,并结合循环伏安曲线、电化学阻谱和电场响应曲线等测试方法,探究其电化学性能和电场响应性能变化。结果表明,改性后碳纤维电极具有较大的双电层电容和较低的低频容抗;配对碳纤维电极电位差漂移量均在5 mV/d以下,电化学自噪声均小于5 nV/Hz;配对碳纤维电极能较好地响应1 mV、1 mHz正弦交流电场信号,其中谷氨酸改性组线性度为0.058%,在改性组中最低,这与其特殊的双电层结构有关。本研究可为高性能海洋电场传感器研究提供新的技术路线和理论依据。

关键词：碳纤维电极氨基酸改性电化学性能电场响应性能

复合材料结构超级电容器碳纤维电极的制备与改性方法研究进展

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复合材料学报 2023年第11期40卷 6010-6028页

作者：陈少杰徐海兵张雪辉刘东颜春陈刚吕东喜祝颖丹江西理工大学材料冶金化学学部赣州341000 中国科学院宁波材料技术与工程研究所浙江省机器人与智能制造装备技术重点实验室宁波315201

在能源危机与生态环境持续恶化的大背景下,开发先进储能技术成为各国竞相研究的重点。将碳纤维作为多功能结构电极与聚合物电解质复合,制备兼具储能与结构承载的复合材料结构超级电容器(Structural supercapacitor composites,SSC),有... 详细信息

在能源危机与生态环境持续恶化的大背景下,开发先进储能技术成为各国竞相研究的重点。将碳纤维作为多功能结构电极与聚合物电解质复合,制备兼具储能与结构承载的复合材料结构超级电容器(Structural supercapacitor composites,SSC),有望满足现代装备对高效储能与轻量化结构的双重需求,在新能源汽车、航空航天等领域具有广泛应用前景。碳纤维电极是SSC的重要组件,承担着富集电荷与力学承载的双重任务,应具有高比表面积、优良的力学性能及树脂电解质浸润能力。然而常规碳纤维表面光滑,比表面积小,化学惰性大,不利于电荷的存储及树脂电解质的浸润,限制了高性能SSC的制备与应用,必须对其进行表面改性处理。本文介绍了SSC用碳纤维电极材料的研究现状,重点阐述了刻蚀活化改性、碳基活性材料修饰、纳米金属化合物活性材料修饰、聚苯胺修饰等改性方法,总结了不同碳纤维电极制备方法对SSC储能及力学性能的影响行为与机制,归纳了各自优缺点,并展望了SSC用碳纤维电极研制面临的挑战及发展趋势。

关键词：多功能复合材料超级电容器储能碳纤维电极表面改性

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碳纤维电极结构电池的制备及双效性能研究

碳纤维电极结构电池的制备及双效性能研究

作者：王亚震河南工业大学

学位级别：硕士

碳纤维复合材料具有高强、高模等优异的机械性能,在航空航天、风力发电、海上船舶等领域被广泛应用。近年来,随着对碳纤维性能的不断开发,对于如何在保持碳纤维优异的机械性能的同时赋予其多功能属性,是一个值得研究的课题。碳纤维结构... 详细信息

碳纤维复合材料具有高强、高模等优异的机械性能,在航空航天、风力发电、海上船舶等领域被广泛应用。近年来,随着对碳纤维性能的不断开发,对于如何在保持碳纤维优异的机械性能的同时赋予其多功能属性,是一个值得研究的课题。碳纤维结构电池同时具有碳纤维增强复合材料优异的机械性能和锂离子电池等储能元件较好的电化学性能,除了可以承受一定的载荷和冲击外,还可以存储电能,在实现结构功能一体化设计、轻量化设计和提高系统的整体效率方面具有明显优势,引起了广大研究人员的关注。基于此,本文以超薄碳纤维为基础,制备了碳纤维电极和柔性可弯曲的碳纤维电池,并将其通过卷绕成型集成到碳纤维复合材料中,制备了结构电池管。对结构电池管进行电化学性能和力学性能测试,并评价其结构效率和能量效率。最后使用结构电池为发热单元供电,验证了在低温环境下,通过一定的结构设计,结构电池具有良好的电化学性能和力学性能。主要的研究内容包括以下几个方面:(1)使用超薄镀镍碳纤维编织布作为集流体,涂覆磷酸铁锂、导电炭黑和PVDF制备超薄碳纤维正极,与锂片负极搭配制备扣式半电池,对其进行电化学性能测试和微观形貌表征。测试结果显示,更薄的碳纤维单向带具有更低的波纹度,这有助于降低电极材料涂层的应力;使用碳纤维作为集流体制备的电极,实现了电极材料91%的理论放电容量和91.2%的首次循环效率;(2)将超薄碳纤维正极与石墨负极搭配制备柔性可弯曲的碳纤维电池,测试其在不同弯曲角度下的电化学性能保持情况。测试结果显示,该电池在相同充放电倍率下,比容量相对于商用的磷酸铁锂-石墨体系的电池高出30%;且该电池在135°弯曲角度之前电化学性能基本保持不变;(3)采用卷绕法,将制备的柔性可弯曲的碳纤维电池集成在超薄碳纤维预浸料中,使用常温固化成型工艺制备管状结构电池,对其进行电化学性能测试。结果显示,当弯曲载荷比达到89.1N/g的条件下,结构电池管的电容量保持在60%以上,且在负载移除后,结构电池管仍能正常工作;对结构电池管和全电池管的损伤形貌进行了分析,结果表明由于内部电芯的存在,结构电池管在吸收载荷方面比全碳纤维管更具优势;(4)引入等效厚度概念,对等效厚度计算公式进行仿真验证,并结合测试结果评价管状结构电池的结构效率。结果显示,结构电池管的能量效率和结构效率分别为:0.61和0.797;(5)将制备的柔性可弯曲的碳纤维电池和加热模块集成到碳纤维增强树脂复合材料中,由电池对加热模块进行能源供给,研究其在不同温度下的电化学保持性能。结果显示由于加热模块的存在,可以使结构电池在低温条件下仍保持较好的电化学性能和力学性能。

关键词：碳纤维复合材料碳纤维电极结构电池能量效率结构效率

聚磷腈衍生碳修饰碳纤维电极的制备及其复合结构超级电容器的研究

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聚磷腈衍生碳修饰碳纤维电极的制备及其复合结构超级电容器的研究

作者：魏枫江西理工大学

学位级别：硕士

随着科学技术的高速发展,人类对绿色环保的储能技术提出了更高的要求。超级电容器相比于其他储能设备而言,具有功能密度高、充放电速度快和循环寿命长等优势,在新能源汽车、航空航天、国防军工等领域应用潜力巨大。电极材料作为超级电... 详细信息

随着科学技术的高速发展,人类对绿色环保的储能技术提出了更高的要求。超级电容器相比于其他储能设备而言,具有功能密度高、充放电速度快和循环寿命长等优势,在新能源汽车、航空航天、国防军工等领域应用潜力巨大。电极材料作为超级电容器的核心部件,对其电化学电容性能起着至关重要的作用。杂原子掺杂多孔碳材料因其导电性优良、微孔介孔丰富、表面化学结构理想,在高性能电极材料上的应用和研究广泛。同时,随着多功能复合材料的兴起,碳纤维复合材料结构超级电容器概念被提出,结构超级电容器因有望实现结构承载和储能功能的一体化融合,而成为功能复合材料领域研究的热点。作为结构超级电容器的电极,碳纤维存在比表面积低、化学惰性大、比电容有限等不足,极大地限制了结构超级电容器的储能性能,因此需通过改性处理提高其比表面积并构筑丰富的导电孔隙结构,提升电荷及离子在碳纤维表面的富集密度。本文通过原位模板聚合,可控制备了纳米管状聚磷腈和聚磷腈杂化涂层修饰碳纤维材料,并以此为前驱体通过碳化工艺分别制备了杂原子掺杂多孔碳纳米材料和聚磷腈衍生碳修饰碳纤维,并将其用于电极材料,同时实现了碳纤维凝胶超级电容器和结构超级电容器的制备,并获得了理想的研究结果。具体研究内容和结果如下:(1)选用合适的共聚单体,通过原位模板聚合制备了纳米管状聚磷腈材料,将其高温碳化制得了杂原子掺杂的聚磷腈衍生多孔碳材料,研究了碳化温度对其材料结构和超级电容性能的影响。通过本方案成功制备了高比表面积、高杂原子掺杂量的一维纳米多孔碳材料,将其用于超级电容器电极(电解液为3M KOH),表现出优异的超级电容性能(10m V/s扫速下测得比电容可达246.7 F/g)和长循环寿命(经循环充放电1000次,比电容还可保持98.5%)。(2)通过原位模板聚合在碳纤维表面组装了聚磷腈纳米涂层,并将其高温碳化制备得到聚磷腈衍生碳修饰碳纤维电极,深入分析了其表面结构和电化学性能。通过本方案可制得3D交织碳纳米材料修饰的碳纤维,并在纤维表面实现N、P、S杂原子的原位掺杂。在三电极电化学测试体系中,当扫速为10 m V/s时,比电容可达到2828.12 m F/cm,且循环充放电1000次过程中,比电容基本稳定不变。将其作为电极组装成全固态凝胶超级电容器,比电容最高可达550.1m F/cm(10 m V/s),功率密度可达到8.35 m W/cm。(3)将聚磷腈衍生碳修饰碳纤维作为电极制备结构超级电容器,并研究了其电化学电容性能、力学性能及其结构-储能多功能性。结构超级电容器的储能方式以双电层电容为主,比电容可达51.35 m F/cm,经循环充放电1000次,比电容还可保持92.72%,测得的功率密度最高为386.61μW/cm,能量密度最高为6.44μWh/cm。其弯曲屈服强度和模量分别为17.23 MPa和1.9 GPa,展现出良好的结构-储能多功能性。

关键词：结构超级电容器碳纤维电极聚磷腈衍生碳电化学性能

蒙脱土修饰碳纤维电极的制备及其应用于活体测定脑神经递质

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高等学校化学学报 2001年第2期22卷 197-200页

作者：杨丽菊彭图治浙江大学西溪校区化学系杭州310028

制备了蒙脱土修饰碳纤维电极 ,研究了其对神经递质多巴胺 (DA)及 5 羟色胺 (5 HT)的富集作用 ,以及对负电性的代谢产物 3 ,4 二羟基苯乙酸 (DOPAC)、 5 羟吲哚乙酸 (5 HIAA)及脑内大量存在的抗坏血酸(AA)排斥性能 .该电极具有很高... 详细信息

制备了蒙脱土修饰碳纤维电极 ,研究了其对神经递质多巴胺 (DA)及 5 羟色胺 (5 HT)的富集作用 ,以及对负电性的代谢产物 3 ,4 二羟基苯乙酸 (DOPAC)、 5 羟吲哚乙酸 (5 HIAA)及脑内大量存在的抗坏血酸(AA)排斥性能 .该电极具有很高的灵敏度、分辨率和抗干扰性 ,对DA的检测下限达 1 6× 10 -8mol/L ,优于传统的Nafion修饰电极 ,对 5 HT的检测下限为 1× 10 -7mol/L .在动物活体分析中 ,使用该电极成功地检测了大鼠双侧颈总动脉结扎再灌损伤时 ,脑纹状体中神经递质DA浓度的变化 .

关键词：蒙脱土修饰电极活体测定神经递质脑碳纤维电极多巴腰

酚类化合物在二氧化锡微粒修饰碳纤维电极上的氧化及检测

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分析化学 2001年第1期29卷 49-52页

作者：魏培海陈立仁李关宾山东轻工业学院化学工程系!济南250100 中国科学院兰州化学物理研究所!兰州730000

采用金属有机化学气相沉积技术制备了SnO2 修饰碳纤维微柱电极 ,讨论了电极的表面结构和稳定性 ,并利用循环伏安法分析了酚类化合物在电极上的电化学行为。该电极对酚类化合物有明显的电催化活性 ,并能防止酚类物质在碳纤维电极表面的... 详细信息

采用金属有机化学气相沉积技术制备了SnO2 修饰碳纤维微柱电极 ,讨论了电极的表面结构和稳定性 ,并利用循环伏安法分析了酚类化合物在电极上的电化学行为。该电极对酚类化合物有明显的电催化活性 ,并能防止酚类物质在碳纤维电极表面的电聚合。以 3 氯苯酚为测试物 ,其检测的线性浓度范围为 2× 10 -6～ 1.2× 10 -5mol/L

关键词：酚类化合物二氧化锡化学修饰电极碳纤维电极电化学检测

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高电压大电流环境下碳纤维电极开关

现代应用物理 2023年第3期14卷 106-114页

作者：李安昆张昊冉樊玉伟张自成钱宝良舒挺武警研究院北京100012 西北核技术研究所西安710024 国防科技大学前沿交叉学科学院长沙410073

为进一步研究碳纤维材料用于脉冲功率开关时的性能,将碳纤维材料制成的电极用于一个高电压(>500 kV)、大电流(>10 kA)脉冲功率自击穿气体(SF6)开关中,在不同的开关间距和气压条件下,对碳纤维电极开关的耐压能力和工作稳定性进行了实验研... 详细信息

为进一步研究碳纤维材料用于脉冲功率开关时的性能,将碳纤维材料制成的电极用于一个高电压(>500 kV)、大电流(>10 kA)脉冲功率自击穿气体(SF6)开关中,在不同的开关间距和气压条件下,对碳纤维电极开关的耐压能力和工作稳定性进行了实验研究,并与传统铜钨合金电极开关进行了对比。实验结果表明,相似条件下,碳纤维作为电极材料的耐压能力、稳定性和寿命不如铜钨合金电极开关。分析认为,用于脉冲功率开关时,碳纤维材料更适合低压及低功率的装置。相关结果可为研究人员选用碳纤维作为电极或阴极材料提供参考。

关键词：碳纤维电极脉冲功率技术开关稳定性耐压寿命