發(fā)布時間：2018-06-23 22:00

  本文選題：竹纖維素 + 碳納米纖維　； 參考：《青島大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：碳納米纖維(carbon nanofiber,CNF)是指尺寸為納米尺度的碳纖維,具有低密度、低缺陷、高孔隙率、高比表面積以及良好的力學(xué)性能和優(yōu)異的導(dǎo)電性能等特點。因此,CNF在電氣設(shè)備,可充電電池和超級電容器的電極材料以及化學(xué)傳感器等許多領(lǐng)域都展現(xiàn)出巨大的潛力。然而,CNF的合成主要依靠合成聚合物,如:聚丙烯腈,聚酰亞胺和聚乙烯醇的熱解來獲得。隨著化石能源日漸耗盡和全球氣候變暖,這種合成方式越來越難以滿足人們對高性能、環(huán)境友好型材料的需求。以細菌纖維素為代表的可控生物質(zhì)材料是替代合成聚合物的備選方案,但是利用生物法制備細菌纖維素的工藝復(fù)雜,耗時長且成本高,限制了其工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。本論文以漂白的竹漿為原料,通過簡易可控的機械法處理得到不同尺寸分布的纖維素納米纖絲,然后通過高溫?zé)峤馓幚淼玫礁弑缺砻娣e的多孔納米碳材料。以鋅空氣電池、鋰離子電池為研究對象研究了碳納米纖維的電化學(xué)性能。圍繞這個目標,本文開展了以下幾個方面的研宄工作。(1)利用機械法和TEMPO氧化的方法得到形貌均一且超細的竹漿纖維納米帶(ultrathin nanometer cellulose nanoribbons,Cel-NRs),通過氨氣(NH3)氛圍下高溫?zé)峤庵苽涞獡诫s的碳納米帶(N-doped carbon nanoribbons,CNRs)。在此結(jié)構(gòu)中,TEMPO的選擇性氧化使竹纖維容易進行后續(xù)的加工處理且不會改變竹纖維原有的晶型,氮原子的引入提高了CNRs表面的活性位點,克服了CNRs單獨作為催化劑催化氧還原反應(yīng)(oxygen reduction reaction,ORR)和鋅空氣電池氧電極催化劑材料時的缺點。N-CNRs高密度氮摻雜的活性位點(10.6 at%)和超薄納米結(jié)構(gòu)使其具有良好的ORR催化活性,其起始電位、半波電位和電子轉(zhuǎn)移數(shù)都可以與商業(yè)化Pt/C催化劑相媲美,其抗甲醇性和穩(wěn)定性都優(yōu)于商業(yè)化Pt/C催化劑。N-CNRs作為鋅空氣電池氧電極催化劑材料具有高比容量(在電流密度為20 mA/g時比容量為590 mAhgZn-1)和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。(2)利用機械法制備了結(jié)構(gòu)可控的竹漿納米纖維,冷凍干燥制備出具有3D結(jié)構(gòu)的納米纖維素氣凝膠,通過NH3氛圍下的高溫?zé)峤夂蜌溲趸��?KOH)活化制備了N-ACNF。其擁有高比表面積、高導(dǎo)電性、部分石墨化和分層級多孔結(jié)構(gòu)等特點。這種優(yōu)異的結(jié)構(gòu)使其作為儲能材料時具有快的電子傳輸速率和有效的電解液擴散等優(yōu)勢,可作為高效多能的能源材料應(yīng)用于鋰離子電池中。竹纖維的直徑控制在~50 nm時制備的樣品(N-ACNF-50)擁有最好的電化學(xué)性能。作為鋰離子電池負極材料時,N-ACNFs-50具有高比容量、優(yōu)秀的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。其在電流密度1 A/g下連續(xù)充放電100次以后比容量達到630.7 mAh/g,在電流密度高達20 A/g下,比容量還能維持在289 mAh/g。
[Abstract]:Carbon nanofiber (carbon nanofiber) is a kind of carbon fiber with low density, low defect, high porosity, high specific surface area, good mechanical properties and excellent electrical conductivity. So CNF has great potential in many fields, such as electrical equipment, rechargeable battery and supercapacitor electrode materials, chemical sensors and so on. However, the synthesis of CNF mainly depends on the pyrolysis of polyacrylonitrile, polyimide and polyvinyl alcohol. With the depletion of fossil energy and global warming, it is becoming increasingly difficult to meet the demand for high-performance, environmentally friendly materials. The controllable biomass material, represented by bacterial cellulose, is an alternative to synthetic polymer. However, the process of preparing bacterial cellulose by biological method is complex, time-consuming and costly, which limits its industrial production and application. In this paper, bleached bamboo pulp was used as raw material, cellulose nanofilament with different size distribution was obtained by simple and controllable mechanical treatment, and porous nano-carbon material with high specific surface area was obtained by pyrolysis at high temperature. The electrochemical properties of carbon nanofibers were studied by zinc air battery and lithium ion battery. Around this goal, In this paper, the following studies have been carried out. (1) homogeneous and ultrafine bamboo fiber nanowires (ultrathin nanometer cellulose nanoribbonsCel-NRs) were prepared by mechanical method and tempo oxidation. N-doped carbon nanoribbonsNRs were prepared by pyrolysis at high temperature in ammonia gas (NH3). In this structure, the selective oxidation of TEMPO makes the bamboo fiber easy to be processed after processing and does not change the original crystal form of bamboo fiber. The introduction of nitrogen atom enhances the active site of CNRs surface. It overcomes the shortcomings of CNRs as catalyst for oxygen reduction reaction (oxygen reduction reactionorr) and zinc air battery oxygen electrode catalyst materials. The high density nitrogen-doped active sites (10.6 at%) and ultrathin nanostructures of CNRs make them have good ORR catalytic activity. Its initial potential, half-wave potential and electron transfer number are comparable to commercial Pt / C catalysts. The methanol resistance and stability of the catalyst are better than that of commercial PTR / C catalyst. N-CNRs have high specific capacity (590mAhgZn-1 at 20 mA/g current density) and excellent cycling stability. (2) the catalyst material for zinc air battery has high specific capacity (590mAhgZn-1 at current density of 20 mA/g) and excellent cycling stability. Bamboo pulp nanofibers with controllable structure were prepared by mechanical method. Nano-cellulose aerogels with 3D structure were prepared by freeze-drying. N-ACNF was prepared by pyrolysis at high temperature and activation of potassium hydroxide (Koh) in NH _ 3 atmosphere. It has high specific surface area, high conductivity, partial graphitization and hierarchical porous structure. Because of its excellent structure, it has the advantages of fast electron transfer rate and effective electrolyte diffusion when it is used as energy storage material. It can be used in lithium ion batteries as a high efficiency and multi-energy material. The sample (N-ACNF-50) prepared by controlling the diameter of bamboo fiber at 50 nm has the best electrochemical performance. As a cathode material for lithium ion batteries, N-ACNFs-50 has high specific capacity, excellent cycling stability and rate performance. At current density of 1 / g, the specific capacity is 630.7 mAh/ g, and at the current density of 20 A / g, the specific capacity can be maintained at 289mAh/ g.
【學(xué)位授予單位】：青島大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TQ352.79;TB34

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本文編號：2058577