多孔納米炭纖維的制備及其電化學(xué)性能研究

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1、密級(jí)中國(guó)科學(xué)院大學(xué)UniversityofChineseAcademyofSciences博士學(xué)位論文墨墊麴苤炭紅維毆?jiǎng)Ω寤斫z堂絲鰉班塞作者姓名：呈昌指導(dǎo)教師：室量型班塞魚(yú)主巨型堂暄出酉堪越絲堂班窟匱苤蕊班基雖蟲(chóng)國(guó)疊堂睦出酉堪塞絲堂班塞壓學(xué)位類別：工堂絲±學(xué)科專業(yè)：撾魁堂培養(yǎng)單位：主巨型堂瞳出酉堪越位堂班宜匱2013年4月CarD0nnan0Iihers■一lMaChangADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegree

2、ofDoctorofMaterialsScienceKeyLaboratoryofCarbonMaterials，InstituteofCoalChemistry,ChineseAcademyofSciences，Taiyuan，Shanxi，P．R．ChinaApril2013致謝本論文是在史景利研究員和宋燕研究員的悉心指導(dǎo)下完成的，兩位恩師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，淵博的知識(shí)，活躍的學(xué)術(shù)思維，求實(shí)的工作作風(fēng)都為我樹(shù)立了榜樣，作者將受益終身。兩位老師除了在學(xué)術(shù)上給予我悉心的指導(dǎo)與教誨，還在生活上給予了無(wú)微不至的關(guān)懷，在此謹(jǐn)向二位恩師獻(xiàn)上誠(chéng)摯的謝意，祝兩位恩師身體健康，工作愉快!感謝劉朗研究員、郭全

3、貴研究員、宋進(jìn)仁研究員對(duì)我論文工作的關(guān)心和提出的大量寶貴建議。感謝張東卿副研究員、劉占軍副研究員、高曉晴副研究員在研究工作中提供的幫助。在論文工作期間，得到705組全體工作人員的大力支持，感謝翟更太、劉乃芝、劉長(zhǎng)安、曹雅秀、張金喜、周小棣、張燕、郭曉慧等人在我實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中提供的幫助。感謝樊彥貞老師在測(cè)試與分析上提供的大力幫助與有益的建議。感謝耿煜、李鵬、李四中、雷世文、楊宇、仲亞娟、陶則超、張金才、鐘明、李鵬、趙松、宋金亮、李進(jìn)、劉均慶、肖客松、汪向磊、楊金華、趙云、王慧奇、翟曉玲、王相君、王立勇、馬燦良、曹濤、劉雙、王凱、曹瑞雄、孔垂周、閆蕊張飛等同門(mén)學(xué)子在實(shí)驗(yàn)、學(xué)術(shù)和生活上的幫助。感

4、謝諶磊、閆琪軒、李吉凡、張繼柱、曾光、李俊國(guó)、武蒙蒙、劉廣波等好友在研究生課程學(xué)習(xí)期間的幫助。感謝研究生部梁萍老師、韓麗娜老師、孔鵬老師、原輝老師、尹鋼老師、王娜老師、訾麗萍老師多年來(lái)在學(xué)習(xí)和生活上給予的指導(dǎo)與關(guān)懷。感謝圖書(shū)館、科研處、物資處、儀器站、網(wǎng)絡(luò)中心、檔案室等部門(mén)提供的幫助與便利。感謝中科大麻茂生老師、國(guó)家納米中心彭開(kāi)武老師在測(cè)試上提供的幫助。感謝父母的辛勤的培育和無(wú)私的關(guān)懷，是他們的期待與鼓勵(lì)給了我完成學(xué)業(yè)的無(wú)盡動(dòng)力，愿他們永遠(yuǎn)幸福。感謝哥哥馬威和嫂子王書(shū)靜對(duì)我求學(xué)的支持與鼓勵(lì)。感謝妻子雷霆在生活中的關(guān)心、理解和鼓勵(lì)。感謝所有關(guān)心、幫助和支持我的人們!最后，感謝為評(píng)審本論文付出

5、辛勤勞動(dòng)的全體專家學(xué)者。霜弩白白≯汐r多．妙摘要超級(jí)電容器具有優(yōu)良的功率密度，可觀的能量密度以及長(zhǎng)的循環(huán)壽命。這些優(yōu)異的特性使其在許多領(lǐng)域，例如電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車(chē)和大功率牽引機(jī)等，引起了廣泛的關(guān)注。影響超級(jí)電容器性能的關(guān)鍵是電極材料。電紡制備的納米炭纖維薄膜具有表面積大、電導(dǎo)率高、制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉和結(jié)構(gòu)自持等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有潛力的柔性電極材料。本文以熱固性酚醛樹(shù)脂／聚乙烯醇(PVA)的水溶液為紡絲液，經(jīng)過(guò)電紡、固化和炭化制備了具有三維納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的炭纖維薄膜。通過(guò)改變?cè)簼舛群图徑z參數(shù)實(shí)現(xiàn)了纖維直徑的有效調(diào)控。所得炭纖維薄膜含有豐富的微孔、高的比表面積、大量的表面含氧官能團(tuán)和可觀

6、的電導(dǎo)率。其中800oc處理的炭纖維(PCNF一800)微孔體積達(dá)0．193cm3／g，比表面積達(dá)416mZ／g，表面含氧量達(dá)8．29at．％，電導(dǎo)率達(dá)3．58S／cm。所得炭纖維薄膜具有優(yōu)異的電容性能。PCNF．800的比電容高達(dá)171F／g，在高速下(100mY／s)下，依然保持143F／g的比電容。探討了炭纖維薄膜結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能的關(guān)聯(lián)性。通過(guò)在紡絲原液中添加造孔劑實(shí)現(xiàn)了對(duì)酚醛基電紡炭纖維孔結(jié)構(gòu)的調(diào)控，制備了富含微孔或中孔的納米炭纖維。1)在酚醛樹(shù)脂／聚乙烯醇(PVA)紡絲液中添)ⅡHKOH使酚醛基電紡炭纖維的微孔體積和比表面積得到明顯的提升。通過(guò)調(diào)節(jié)原液中KOH的含量，實(shí)現(xiàn)了炭纖維

7、平均直徑和炭纖維薄膜的體積密度在較寬的范圍內(nèi)可調(diào)。所得炭纖維盡管具有溫和的比表面積，但是具有非常優(yōu)異的電容性能。當(dāng)固含量(KOH／PF+PVA)為20Ⅲ．％時(shí)，炭纖維比表面積達(dá)597m2／g，比電容高達(dá)256F／g。分析表明，O．7—1．2Flm的微孔是水溶液電解質(zhì)形成雙電層的最佳孔徑。2)在酚醛樹(shù)脂／聚乙烯醇紡絲液中添加硅溶膠制備了富含中孔的納米炭纖維，通過(guò)調(diào)節(jié)原液硅溶膠含量制備了具有不同中孑L率和孔徑的炭纖維，產(chǎn)物炭