細(xì)菌纖維素基碳纖維的制備及在超級電容器中的應(yīng)用.pdf

1、作為超級電容器電極材料，碳纖維與其他材料相比具有導(dǎo)電性好，機械強度高、比表面積大和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)勢，但根據(jù)超級電容器工作原理可知碳材料的比容量不太理想。研究表明通過活化改性或摻雜改性可以提高碳材料的比電容。而細(xì)菌纖維素（BC）是一種由細(xì)菌分泌的具有高結(jié)晶度、高比表面積和高聚合度的材料，將其作為電極材料前驅(qū)體用于超級電容器在結(jié)構(gòu)和來源上均具有優(yōu)勢。因此，本課題選用BC為碳纖維前驅(qū)體進(jìn)行了研究，對所制備的碳纖維進(jìn)行改性并考察其電化學(xué)性能的變化

2、。本課題的主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下：
　　(1)在800~1000℃內(nèi)用不同溫度對冷干的BC進(jìn)行碳化處理得到了納米碳纖維材料。SEM圖片顯示得到的碳纖維材料為納米尺寸的纖維絲組成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。XRD測試表明材料為無定形碳。經(jīng)電化學(xué)測試知，900℃碳化材料電化學(xué)性能最好，電流密度從0.5A/g增加到6A/g時比電容由85.78F/g降至66.02F/g；4A/g，500次充放電循環(huán)后比電容保持率為99.47％，體現(xiàn)了該材料良好的倍率

3、性能和循環(huán)穩(wěn)定性。
　　(2)活化改性：分別以KOH和H3PO4為活化劑，以冷干BC為原料，采用一步碳化活化工藝制備得到了活性納米碳纖維材料。SEM圖表明KOH活化改性的納米碳纖維由納米尺寸的纖維構(gòu)成。BET測試表明KOH改性的材料比表面積從直接碳化的385.43m2/g增加到477.05m2/g。KOH和H3PO4改性材料在0.5A/g下比電容值分別為114.44F/g和101.08F/g，4A/g電流500次循環(huán)后比電容均保持

4、在98.60%以上。
　　(3)摻雜改性：①以尿素或NH4H2PO4為摻雜源，冷干BC為原料一步碳化摻雜制備納米碳纖維材料；②以BC勻漿為原料，在BC基體上原位合成聚吡咯，再以H3PO4為磷源和活化劑對其浸泡，一步碳化活化摻雜得到摻雜活性納米碳纖維。SEM表明原位聚吡咯/H3PO4改性的碳纖維絲表面均勻的包覆著一層含雜元素的粒徑大小不一的小顆粒。紅外光譜測試和XPS分析均表明三種方法制備的材料中均引入了N-5、N-6和N-Q等含氮

5、官能團(tuán)，NH4H2PO4和原位聚吡咯/H3PO4活化摻雜材料中均引入了C-PO3、C2-PO2和C-O-P等含磷官能團(tuán)。改性后材料的比容量得到了很大的提高，N-CBC、NP-CBC-51和Py-P-CBC-52三種材料電極在0.5A/g下的比電容分別為122.20F/g、150.37F/g和240.00F/g；5A/g下比電容分別為86.78F/g，137.67F/g和187.22F/g。以4A/g電流充放電循環(huán)500次后比電容分別為首