超細(xì)碳纖維的組成結(jié)構(gòu)調(diào)控及其性能研究.pdf

1、超細(xì)碳纖維具有化學(xué)穩(wěn)定性好、比表面積大、孔結(jié)構(gòu)多、導(dǎo)電性好等優(yōu)點(diǎn)，在催化、儲氫和吸附等能源與環(huán)境方面的應(yīng)用備受關(guān)注。但由于其具有活性位點(diǎn)較少、接觸阻抗較大等問題，限制了電子的有效轉(zhuǎn)移和傳輸，抑制了電化學(xué)性能的提高。采用異原子摻雜或引入石墨烯/CNT使纖維互連的方法能促進(jìn)活性位點(diǎn)的增加和接觸阻抗的降低，對電化學(xué)性能的提高十分重要。本論文開展了如下三方面的研究工作。
　　第一、為了獲得比表面積較大、活性位點(diǎn)較多的碳纖維基催化劑，結(jié)合靜

2、電紡絲和后處理摻雜方法，制備了B,N共摻雜的多孔CNF。研究了H3BO3和CO(NH2)2的B,N共摻雜處理及NH3處理對其吸附性能和電催化性能的影響。B,N共摻雜的CNF(BNCf-N)中引入了B-N-C位點(diǎn)，B和N摻雜在提高電催化性能方面具有協(xié)同效應(yīng)；采用NH3處理制備了B,N共摻雜的多孔CNF(BNCf-NA)，獲得了更大的比表面積(306.3m2g-1)、引入了更多的微孔且優(yōu)化了表面官能團(tuán)。MB的吸附測試表明4 min內(nèi)就表現(xiàn)出

3、了99％的吸附量。電化學(xué)測試表明BNCf-NA具有更大的電催化活性比表面積，起始電勢為-0.068 V(vs Ag/AgC l)，僅比Pt/C的負(fù)60 mV。
　　第二、為了同時獲得具有較多活性位點(diǎn)和較高導(dǎo)電性的碳纖維基催化劑，基于靜電紡絲和原位生長方法，將預(yù)氧化的Co-PANf與g-C3N4和三聚氰胺共熱解制備了互通的NG/Co-CNT/CNF復(fù)合纖維網(wǎng)，研究了石墨烯和CNT原位生長及其對吸附性能和電催化性能的影響。結(jié)果表明，紡

4、絲液中Co(NO3)2·6H2O與PAN的質(zhì)量比為1:10和1:15時，所制得的樣品具有較好的電催化性能，且在1:15情況下有CNT生成。NG和CNT的同時引入提供了更多的活性位點(diǎn)并促進(jìn)了電子在纖維間的傳輸，使其表現(xiàn)出比NG/CNF和CNF更好的電催化性能。在0.48 mg cm-2負(fù)載量下，NG/Co-CNT/CNF與Pt/C的半波電勢差值僅為33 mV，表明互通的網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有更好的ORR活性。
　　第三、基于生物質(zhì)熱解和原位生長

5、方法，將蠶繭與 g-C3 N4和三聚氰胺共熱解制備了氮摻雜的石墨烯-蠶繭基碳纖維(NG-SCCf)復(fù)合纖維網(wǎng)，研究了其組成結(jié)構(gòu)、電催化和光催化活性。結(jié)果表明，復(fù)合纖維網(wǎng)中原位生長了石墨烯后，N含量從2.08增加到7.19 at.%，引入了更多的活性位點(diǎn)，電催化性能得到提高，且光催化產(chǎn)氫速率從14.9增加到65.5μmo l h-1 g-1；纖維互通能為電子傳輸提供多路徑，原位生長的NG使電荷快速傳輸，使電子-空穴有效分離，從而加速了產(chǎn)氫