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基于碳纳米纤维的超级电容器研究

基于碳纳米纤维的超级电容器研究

作者：贺晓杰杭州电子科技大学

学位级别：硕士

超级电容器作为具有高功率密度和长循环寿命的新一代能源存储系统,被认为是数字通信设备、电动汽车的理想储能器件。然而,超级电容器也存在着一些局限性,例如相对较小的比电容和较低的能量密度,这些缺陷影响了超级电容器的使用前景。针... 详细信息

超级电容器作为具有高功率密度和长循环寿命的新一代能源存储系统,被认为是数字通信设备、电动汽车的理想储能器件。然而,超级电容器也存在着一些局限性,例如相对较小的比电容和较低的能量密度,这些缺陷影响了超级电容器的使用前景。针对双电层电容器循环寿命长、高倍率性能的优点和低比容量的不足,以及赝电容比电容高的优点和循环寿命短、倍率性能差的缺陷,将两者结合是解决这一问题的主要途径。本文首先以商用细菌纤维素水凝胶(BC)为前驱体,制备了一种具有碳纳米纤维(CNF)三维网络结构的电极材料,作为双电层电容器的电极,研究其电化学性能。之后通过二硫化钼(Mo S)对其进行修饰,构建了以碳纳米纤维网络为框架、内部为碳纳米球(CNS)包覆二硫化钼的自支撑型复合电极,实现双电层电容与赝电容的结合,并探究对电化学性能的影响。具体研究如下:(1)通过对商用细菌纤维素水凝胶进行冷冻干燥及高温热解等步骤,得到一种内部为大量碳纳米纤维交织互连的块体结构CNF基电极,通过材料表征手段对其进行分析,该材料拥有713m g的大比表面积和0.69cm g的孔体积,其碳材料具有无序非晶结构。将其作为电极组装超级电容器进行测试,于1 A g电流密度下,质量比电容可达148.1 F g,经10000次充放电循环,仍有93.75%的高容量保持率,表现出优异的双电层电容行为。(2)以二水合钼酸钠和硫脲为反应物原料,填充至细菌纤维素中,经由一步水热法制备了含有Mo S的水凝胶材料,通过冷冻干燥技术除去所含的结晶水并保持其结构形态,再经高温热解将细菌纤维素转化为碳纳米纤维基体,得到碳纳米纤维@二硫化钼(CNF@Mo S)复合电极。该电极的质量比电容相较于纯CNF基电极有所提升,电流密度为1 A g时,质量比电容可达188.76 F g。(3)为了进一步提升电极材料的电化学性能,在反应物中添加不同比例的葡萄糖,经水热反应转化为碳纳米球(CNS)包覆Mo S,形成一种核壳结构的CNS@Mo S,以此来改善Mo S的导电性,所制得碳纳米纤维@碳纳米球@二硫化钼(CNF@CNS@Mo S)复合电极的电化学性能优异,于1 A g电流密度下,质量比电容可达319.2 F g,经8000次循环后仍有261.17 F g,为初始值的81.78%。

关键词：超级电容器碳纳米纤维二硫化钼碳纳米球电化学性能

Ni基催化剂上未掺杂和氮掺杂的碳纳米纤维生长机理的比较（英文）

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Chinese Journal of Catalysis 2016年第1期37卷 169-176页

作者： Vladimir V.Chesnokov Olga Yu.Podyacheva Alexander N.Shmakov Lidiya S.Kibis Andrei I.Boronin Zinfer R.Ismagilov 鲍列斯科夫催化研究所新西伯利亚国立大学煤炭化学和材料科学研究所

研究了Ni催化剂上碳纳米纤维,以及Ni和Ni-Cu催化剂上N掺杂的碳纳米纤维的生长机理.结果表明,这两个过程的机理均包含了表面非计量碳化镍的形成,然后是碳或碳和氮通过催化剂颗粒体相的溶解和扩散.

关键词：碳纳米纤维氮掺杂生长机理镍基催化剂

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碳纳米纤维去除废水重金属锌离子的研究

广州化工 2023年第13期51卷 191-193页

作者：梁慈祥杭州市环境集团有限公司浙江杭州310000

研究了碳纳米纤维对Zn(II)的吸附动力学和等温线,考察了pH和离子强度对Zn(II)吸附的影响。结果表明pH影响Zn(II)吸附,而离子强度基本不影响Zn(II)吸附,表明Zn(II)在CNFs上的吸附机理属于内层络合机理。SEM和TEM图分析表明Zn(II)吸附没... 详细信息

研究了碳纳米纤维对Zn(II)的吸附动力学和等温线,考察了pH和离子强度对Zn(II)吸附的影响。结果表明pH影响Zn(II)吸附,而离子强度基本不影响Zn(II)吸附,表明Zn(II)在CNFs上的吸附机理属于内层络合机理。SEM和TEM图分析表明Zn(II)吸附没有改变CNFs的纤维状结构。准二级动力学模型可以很好的拟合Zn(II)在CNFs上吸附的实验数据。与Freundlich模型比较,Langmuir可以更好的拟合CNFs吸附Zn(II)的等温线。研究结果表明碳纳米纤维可以作为废水中重金属离子去除合适的吸附材料。

关键词：碳纳米纤维重金属离子吸附机理

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碳纳米纤维改性沥青混合料的路用性能

交通世界 2023年第29期 22-24,27页

作者：张晓飞山西晋宇路桥工程有限责任公司山西太原030006

为研究碳纳米纤维(CNF)改性热拌沥青混合料的机理特性,用不同百分比的CNF对沥青混合料进行改性,采用间接拉伸试验和车辙试验研究了CNF改性沥青混合料的强度、抗裂性能和高温抗车辙性能。结果表明:随着CNF的添加,沥青针入度降低,软化点提... 详细信息

为研究碳纳米纤维(CNF)改性热拌沥青混合料的机理特性,用不同百分比的CNF对沥青混合料进行改性,采用间接拉伸试验和车辙试验研究了CNF改性沥青混合料的强度、抗裂性能和高温抗车辙性能。结果表明:随着CNF的添加,沥青针入度降低,软化点提高,车辙因子增大,说明CNF显著改善沥青胶浆的高温流变性;CNF改性沥青可以提高沥青混合料的间接抗拉强度和高温抗车辙性能,当掺量为0.5%时CNF改性效果最佳,此时混合料间接抗拉强度提高约38%,高温抗车辙性能提高约45.5%。

关键词：碳纳米纤维沥青混合料流变特性间接拉伸强度永久变形

静电纺氧化锰复合碳纳米纤维柔性膜的电化学性能

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高等学校化学学报 2017年第6期38卷 953-958页

作者：潘超谷海腾宗飞旭高婧怡大连海洋大学理学院大连116023

采用一步法静电纺丝技术制备了具有超亲水特性的氧化锰/碳纳米纤维(MnO_x/CNFs)复合柔性膜电极材料,并通过X射线衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等对复合材料进行了表征.电化学性能测试结果表明,复合材料的电容性能优于单一材料,... 详细信息

采用一步法静电纺丝技术制备了具有超亲水特性的氧化锰/碳纳米纤维(MnO_x/CNFs)复合柔性膜电极材料,并通过X射线衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等对复合材料进行了表征.电化学性能测试结果表明,复合材料的电容性能优于单一材料,醋酸锰质量分数为40%时制得的复合纳米纤维电极(MC-4)在1 A/g电流密度下,于2 mol/L KOH电解液中的比电容高达1112.5 F/g,10 A/g电流密度下循环3000次比容量保持在93.4%,具有很好的稳定性.MnO_x/CNFs复合材料电化学性能增强一方面是由于三维超亲水纤维膜结构有利于电解液的快速浸润渗透,从而极大缩短了传输到材料基质的有效路径;另一方面是由于碳和MnO_x的协同效应,包裹在MnO_x粒子周围的碳层避免了MnO_x在充放电过程中的体积膨胀效应,这2种叠加机制促进了电化学性能的提升.

关键词：静电纺丝氧化锰碳纳米纤维电化学性能超级电容器

金属硫化物/碳纳米纤维复合材料的制备及其电化学性能

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金属硫化物/碳纳米纤维复合材料的制备及其电化学性能

作者：张旗桂林理工大学

学位级别：硕士

由于资源丰富、价格低廉、环境友好、理论容量大等,金属硫化物(MS)被视为极有潜力的钠离子电池(SIBs)负极候选材料。然而,该类材料本身导电性差,钠离子嵌入、脱出时体积变化大,导致电池容量衰减快、循环寿命短,从而严重影响其实际应用... 详细信息

由于资源丰富、价格低廉、环境友好、理论容量大等,金属硫化物(MS)被视为极有潜力的钠离子电池(SIBs)负极候选材料。然而,该类材料本身导电性差,钠离子嵌入、脱出时体积变化大,导致电池容量衰减快、循环寿命短,从而严重影响其实际应用。在当前的研究中,针对金属硫化物的改性工作可以有效缓解上述问题,其中碳材料修饰是较常见且有效的方法之一。本论文利用静电纺丝技术,制备了一种氮掺杂的多孔碳纤维(CNFs),并以此作为金属硫化物的宿主基材,研究了金属硫化物/碳纤维复合材料的电化学储钠性能。具体工作如下:1.采用原位超声生长法制备了SbS纳米颗粒@碳纳米纤维(SCNFs)复合材料,并研究了碳纳米纤维的修饰对SbS的结构及电化学性能的影响。结果表明,所生成的SbS纳米颗粒均匀地附着在碳纳米纤维表面,直径大约为50～100纳米。碳纤维的引入不仅增加了导电性,而且有效缩短了钠离子转移路径。将复合材料用作钠离子电池负极时,在50 m A g的电流密度下循环50圈后电池的容量可保持在412 m Ah g。通过与纯SbS微米球电极材料对比,SbS@CNFs复合材料无论是在循环寿命还是倍率性能上都有明显的提升。2.采用一步静电纺丝法结合硫化处理等制备了双金属硫化物(SbS和Fe S)@多孔碳纳米纤维复合材料(Sb-Fe-S@CNFs)。与其单一组分的金属硫化物碳纤维复合材料相比,双金属硫化物异质结的协同作用显著提高了SIBs的电化学性能。在1 A g的电流下循环2000圈后仍然能够保持397 m Ah g的放电比容量,容量保持率为97%;在10 A g的电流密度下可获得长达16000圈的高倍率超长循环寿命,且无明显衰减。优异的电化学性能主要归因于:多孔碳纤维可作为电子/离子的加速剂和缓冲剂,提高电池的倍率性能并缓解充放电过程中的体积膨胀;SbS/Fe S丰富的相界极大地促进了内建电场中的电荷转移,加快反应动力学;此外,SbS/Fe S复合异质结丰富的氧化还原电位可以提供连续性的反应,在充放电过程中形成自支撑结构,有效延长了电池的循环寿命。3.利用水热法和静电纺丝技术制备了二硫化钼/氧化铁@碳纳米纤维复合材料(Mo S/FeO@CNFs)。通过调整Mo S的比重,优选出了具有最佳储钠性能的复合电极材料,并将其定义为Mo S/FeO@CNFs-3。该复合电极材料的首次放电比容量高达925m Ah g,在100 m A g下循环100圈后容量保持394 m Ah g。而且在1 A g的电流密度下循环1000圈后放电容量仍能达到322 m Ah g,保持率为85%。优异的电化学性能可归因于碳纳米纤维的修饰以及Mo S与FeO所形成的异质界面加速了离子和电子的传输。

关键词：钠离子电池碳纳米纤维金属硫化物异质结构静电纺丝

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电纺Co掺杂碳纳米纤维的制备及其吸波性能

材料工程 2019年第12期47卷 118-123页

作者：张飒王建江赵芳刘嘉玮陆军工程大学

采用静电纺丝法和后续的热处理工艺制备不同浓度Co纳米粒子掺杂的碳纳米纤维。通过差热-热重(DSC-TGA)仪、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、矢量网络分析仪(VNA)对复合碳纳米纤维的热稳定性、物相、微观结构、电磁参数进行表征... 详细信息

采用静电纺丝法和后续的热处理工艺制备不同浓度Co纳米粒子掺杂的碳纳米纤维。通过差热-热重(DSC-TGA)仪、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、矢量网络分析仪(VNA)对复合碳纳米纤维的热稳定性、物相、微观结构、电磁参数进行表征,并对其微波吸收性能进行研究。结果表明:当炭化温度为800℃时,复合纳米纤维结晶度适中,无定形碳部分转化为石墨相碳,CoAc 2全部被炭化还原为面心立方结构的金属Co纳米粒子,且纤维形貌完整,有串珠状结构存在于纤维网络之间;掺杂后碳纤维电磁性能得到明显改善,当掺杂量为7%(质量分数),涂层厚度为1.5mm时,有效吸收带宽达到最大,为4.5GHz,相比于纯碳纳米纤维,吸波性能得到显著提升。

关键词：静电纺丝碳纳米纤维金属Co纳米粒子串珠状结构吸波性能

包覆氮化铁的Fe,N掺杂碳纳米纤维的制备及对氧还原反应的催化性能

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高等学校化学学报 2018年第11期39卷 2492-2499页

作者：刘培程庆庆陈驰邹亮亮邹志青杨辉中国科学院上海高等研究院上海201210 上海科技大学物质科学与技术学院上海201210 中国科学院大学北京100039

通过静电纺丝、碳化和氨气刻蚀制备了具有核-壳结构的包覆氮化铁(FexN)纳米颗粒的Fe,N共掺杂多孔碳纳米纤维(FexN@Fe-N-C),并研究了其在酸性和碱性介质中对氧还原反应(ORR)的电催化性能.结果表明,该催化剂具有优异的氧还原催化活性,在... 详细信息

通过静电纺丝、碳化和氨气刻蚀制备了具有核-壳结构的包覆氮化铁(FexN)纳米颗粒的Fe,N共掺杂多孔碳纳米纤维(FexN@Fe-N-C),并研究了其在酸性和碱性介质中对氧还原反应(ORR)的电催化性能.结果表明,该催化剂具有优异的氧还原催化活性,在酸性介质中的半波电位(E1/2)可达0. 81 V(vs. RHE),在碱性条件下的E1/2高达0. 897 V,高于商业Pt/C催化剂.在酸性介质中经过10000周加速衰减测试后,FexN@Fe-N-C的E1/2仅衰减了26 m V,展示出极佳的耐久性.离子探针和浓酸刻蚀实验结果表明,Fe-Nx以及FexN纳米颗粒均对ORR有重要催化作用.

关键词： Fe-N-C 氮化铁氧还原反应碳纳米纤维氨气刻蚀

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碳纳米纤维对水泥砂浆耐久性的影响研究

当代化工 2022年第1期51卷 18-21,25页

作者：俞琦苏交科集团股份有限公司江苏南京210019

纤维材料添加可以有效改善水泥基材料的使用性能。基于此,制备了不同碳纳米纤维掺量的水泥砂浆试验样品,测试了试件的流动度、耐硫酸盐腐蚀性能和抗冻性能,分析了碳纳米纤维掺量对试件流动度的影响规律,研究了硫酸盐溶液干湿循环不同次... 详细信息

纤维材料添加可以有效改善水泥基材料的使用性能。基于此,制备了不同碳纳米纤维掺量的水泥砂浆试验样品,测试了试件的流动度、耐硫酸盐腐蚀性能和抗冻性能,分析了碳纳米纤维掺量对试件流动度的影响规律,研究了硫酸盐溶液干湿循环不同次数后和冻融循环不同次数后碳纳米纤维掺量对试件抗压强度、抗折强度、质量损失率和相对弹性模量的影响规律。结果表明:流动度y与碳纳米纤维掺量x的关系为y=228x+231;试件的抗压强度和抗折强度均随干湿循环次数的增大先增大后减小;随着冻融循环次数的增加,水泥砂浆抗压强度和相对弹性模量将逐渐减小且减小幅度越来越大,而其质量损失率则先减小而后又快速增大;碳纳米纤维掺量为0.10%~0.15%时,试件的抗硫酸盐腐蚀性能和抗冻性能最佳。

关键词：碳纳米纤维水泥砂浆流动性抗腐蚀性能抗冻性能