竹納米纖維素及其功能材料的制備與電化學性能研究.pdf

1、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性能和優(yōu)異的導電性能等特點。因此，CNF在電氣設備，可充電電池和超級電容器的電極材料以及化學傳感器等許多領域都展現(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

2、需求。以細菌纖維素為代表的可控生物質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雜，耗時長且成本高，限制了其工業(yè)化生產(chǎn)和應用。
　　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，然后通過高溫熱解處理得到高比表面積的多孔納米碳材料。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性能。圍繞這個目標，本文開展了以下幾個方面的研究工作。
　?。?）利用機械法和

3、 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）氛圍下高溫熱解制備氮摻雜的碳納米帶（N-doped carbon nanoribbons，CNRs）。在此結構中，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

4、劑催化氧還原反應（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（10.6at%）和超薄納米結構使其具有良好的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20mA/g時比容量為590mAhg Zn?1

5、）和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　（2）利用機械法制備了結構可控的竹漿納米纖維，冷凍干燥制備出具有3D結構的納米纖維素氣凝膠，通過NH3氛圍下的高溫熱解和氫氧化鉀（KOH）活化制備了N-ACNF。其擁有高比表面積、高導電性、部分石墨化和分層級多孔結構等特點。這種優(yōu)異的結構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用于鋰離子電池中。竹纖維的直徑控制在～50nm時制備的樣品（N-ACNF-50