柔性和多孔TaC-CNF復(fù)合材料的制備及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、隨著化石燃料資源的日漸枯竭和對環(huán)境保護(hù)的日益重視，開發(fā)出具有能量密度高、高功率的可替代能量存儲和轉(zhuǎn)換裝置引起了人們的重視。超級電容器由于具有功率密度高、循環(huán)壽命長、工作電位寬和溫度范圍可操作性大等特點，在能量存儲裝置方面的研究受到了廣泛地關(guān)注。電極材料作為超級電容器的關(guān)鍵要素，一直吸引著廣泛的研究興趣，而碳材料由于其優(yōu)異的導(dǎo)電性、大的表面積、良好的化學(xué)穩(wěn)定性，已廣泛地應(yīng)用于電極材料。多孔的碳化物衍生碳材料較之于傳統(tǒng)的多孔碳材料，具有更高

2、的孔隙率和更佳的導(dǎo)電性。現(xiàn)有文獻(xiàn)報道的多孔碳化物衍生的碳，其存在的形式主要是粉末、涂料和薄膜，不能獨立地作為電極材料來使用。當(dāng)作為電極材料使用時，必須借助于聚合物粘接劑來制備完整的電極，因此較大幅度地降低了整個裝置的電化學(xué)性能。在自支撐電極材料的制備中，靜電紡絲已成為一種成熟的制備技術(shù)。
　　本論文主要以靜電紡絲，碳熱還原等工藝技術(shù)來制備柔性、耐火和導(dǎo)電的碳化鉭/碳復(fù)合納米纖維(TaC/CNFs)膜。此外，經(jīng)靜電紡絲、高溫碳化、金

3、屬離子刻蝕的工藝路線合成了一系列柔性多孔的碳化鉭/碳復(fù)合納米纖維(P-TaC/CNFs)膜，以此為電極材料成功地制備了一系列柔性超級電容器，并對其電化學(xué)性能進(jìn)行了較系統(tǒng)地研究。本論文主要分為如下兩部分：
　　1.將五氯化鉭(TaCl5)、聚丙烯腈(PAN)和 N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的混合溶液，通過靜電紡絲以及碳熱還原工藝技術(shù)，制備了柔性、耐高溫、導(dǎo)電的TaC/CNFs膜。同時，通過改變TaCl5與PAN的原料配比，可制備系

4、列TaC/CNFs膜。通過透射電鏡表征，研究發(fā)現(xiàn)TaC納米顆粒在CNFs基質(zhì)中均勻地分散。原子力譜學(xué)表明單根的 TaC/CNF具有高的楊氏模量(高達(dá)502 GPa)。電化學(xué)測試表明，TaC/CNFs具有良好的導(dǎo)電性。與此同時，研究還發(fā)現(xiàn) TaC/CNFs膜具有優(yōu)異的柔性，即使在180次循環(huán)彎曲后，也沒有觀察到明顯的裂紋，與沒有彎曲相比電導(dǎo)率仍有55％的保留值。此外，熱失重(TGA)研究表明TaC/CNFs膜在氬氣氣氛中具有高達(dá)1000℃

5、的耐高溫特性。
　　2.在上述五氯化鉭(TaCl5)、聚丙烯腈(PAN)和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)形成的混合溶液中，添加不同比例的六水合硝酸鎳，通過靜電紡絲、碳熱還原、金屬離子-助劑酸刻蝕工藝，成功地制備了多孔的高柔性碳化鉭/碳復(fù)合納米纖維。研究發(fā)現(xiàn) TaC成功地嵌入到 PAN-基碳納米纖維中，并使 PAN-基碳納米纖維形成了大量的中孔結(jié)構(gòu)，致使這種復(fù)合納米纖維的比表面積大幅度地提高，結(jié)果有利于電解質(zhì)的擴(kuò)散，從而提高了這種復(fù)