聚丙烯腈基碳纳米纤维在超级电容器电极材料中的应用研究进展

超级电容器是一种介于电池和传统物理电容器之间的新型环保储能器件,近年来得到了研究者的广泛关注。电极材料是超级电容器的核心部分,因此具有更高的研究价值。聚丙烯腈基碳纳米纤维因具有良好的静电纺丝性、较高的碳化产率、优异的纳米结构、超高的比表面积以及优良的导电性和稳定性,已经成为超级电容器电极材料的研究热点。本文主要介绍了聚丙烯腈基交联结构和多孔结构碳纳米纤维电极材料,元素掺杂电极材料以及与碳材料、导电聚合物、金属氧化物复合的电极材料,并对聚丙烯腈基碳纳米纤维电极材料未来的研究方向进行了展望。

高分子质量聚丙烯腈基碳纳米纤维的制备

为获得力学性能较好的聚丙烯腈(PAN)基实心和多孔碳纳米纤维,以自制相对分子质量30万的PAN为原料,利用静电纺丝技术制备了PAN和PAN/聚甲基丙烯酸甲酯纳米纤维,经预氧化、碳化后分别获得了新型纳米纤维。利用扫描电镜观测了纳米纤维和碳纳米纤维的表面形态,并对纳米纤维和碳纳米纤维的直径分布进行了表征。结果表明:相对分子质量为30万的PAN适宜纺丝质量分数为6%,PAN纳米纤维的平均直径为1 242 nm。在PAN纺丝液中加入PMMA后,纳米纤维的平均直径下降至519 nm,且直径分布变窄;预氧化过程中施加张力可以使碳纳米纤维保持较好的纤维形状;碳化处理后的PAN和PAN/PMMA纳米纤维的直径都明显减小,前者减小为683 nm,后者为374 nm;扫描电镜照片显示,加入PMMA后PAN碳纳米纤维呈多孔结构。

电纺聚丙烯腈基碳纳米纤维的制备

通过静电纺丝制备了平均直径为350nm的聚丙烯腈(PAN)纳米纤维.将PAN纳米纤维分别在250,265和280℃温度下预氧化1h后,将它们在1 000℃下碳化得到碳纳米纤维.通过扫描电镜、红外光谱、差示扫描量热分析和X射线粉末衍射分析对PAN纳米纤维、预氧化后的纳米纤维及碳纳米纤维的形貌、热性能和化学结构进行了表征.结果表明,PAN纤维的最佳预氧化温度为280℃.在该温度预氧化后所得碳纤维的导电性最好,电导率为(13±0.58)S/cm.

电纺聚丙烯腈基碳纳米纤维在超级电容器中的应用

静电纺丝法制备聚丙烯腈(PAN)基纳米纤维具有较大的比表面积、较高的机械强度、优异的纳米结构及良好的化学稳定性。以PAN纳米纤维为基础,进行多方位设计与合成的电极材料在超级电容器中表现出优异的电化学性能,具有广阔的应用前景。本文根据电极材料分类,主要综述了近年来PAN基多孔结构电极材料、杂原子掺杂电极材料以及与碳系材料、导电聚合物、金属氧化物复合等电极材料的研究进展;讨论了电极材料的结构特征、制备方法及其提高电化学性能的原理;最后指出了上述研究中存在的问题,并对未来PAN基电极材料在超级电容器的发展前景进行了展望。

静电纺聚丙烯腈基碳纳米纤维的制备及电学表征

利用聚丙烯腈(PAN)及二甲基甲酰胺(DMF)制备静电纺纺丝液,纺制出的纤维在N2保护下,于500～1500°C范围内进行高温分解,持续约1h后便得到碳纳米纤维。利用SEM分析了纤维的形态结构,未经喷金的碳化PAN纳米纤维的SEM照片表明制备的碳纤维具有导电性能。利用热重分析法(TGA)分析了纤维的热性能。利用间接的四探针方法测量了纳米纤维毡的导电性能,发现导电性会随着高温分解温度的增加而急剧增加。

石油沥青/聚丙烯腈静电纺碳纳米纤维的制备工艺优化及其性能

为实现石油沥青的高值化利用,通过静电纺丝技术制备了沥青/聚丙烯腈复合纳米纤维,并经过预氧化和炭化处理制备了复合碳纳米纤维。采用Box-Behnken响应面法研究了纺丝参数对纤维直径的影响,通过调整石油沥青比例和热处理温度研究了预氧化和炭化过程中纤维的结构转变。结果表明:影响纤维直径的静电纺丝参数主次顺序依次为推流速度、纺丝电压和接收距离;响应面法模型预测值与最佳工艺条件下纤维直径实测值的相对误差为9.13%;当预氧化温度为250℃时,预氧化丝具有最大芳构化指数,其相应预氧化度最高;炭化温度与复合碳纳米纤维的石墨化程度呈正相关,随着炭化温度的升高,纤维直径大幅减小,复合碳纳米纤维石墨结构有序性逐渐增加。

高性能聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备工艺研究

原丝的质量与碳纤维品质息息相关,高性能原丝才能制备出高性能碳纤维。采用均相溶液聚合工艺,通过丙烯腈单体与丙烯酸甲酯、衣康酸在二甲基亚砜溶剂中进行三元自由基共聚反应,确定了最佳的聚合工艺参数,合成了纺丝性能较好的纺丝溶液;并对聚丙烯腈基碳纤维原丝的纺丝工艺进行了系统探讨。试验表明,湿法纺丝工艺下,采用一定凝固负牵伸比,适当的热水牵伸倍数,110~140℃梯级干燥致密化工艺,并对纤维进行较高牵伸倍数的蒸汽热牵伸,最终可制备出较高强度和模量的聚丙烯腈基碳纤维原丝。

聚丙烯腈基碳纤维原丝氧元素含量检测影响因素分析

聚丙烯腈基碳纤维原丝中氧元素含量较低,约为1%~2%,含水率约0.6%~1.2%,由于原丝具有易吸水特性,吸入的水分将增加氧元素含量、增加试样质量,影响最终氧元素含量的检测结果。考察了仪器基线、干燥、标准样品称样量对原丝氧元素含量测量结果的影响,结果表明:称样量不宜过高,且应分开质量梯度;为防止基线漂移,建立标线后应尽快进行试样检测;制样前试样应烘干,且需放在铝盒内以防止吸水增加试样质量而引起误差。

静电纺丝制备聚丙烯腈基纳米碳纤维及其储钠性能研究

在各类有机聚合物热解碳中,聚丙烯腈(PAN)因具有碳残留率高、热稳定性好、成本低、热解速率快等优点,可作为碳材料的重要前驱体。钠离子电池负极材料应尽量满足储钠效率高、价格低、性能稳定的要求,通过对电池负极材料结构设计与优化可提升其储钠容量和倍率性能。静电纺丝法因具有制备纳米纤维效率高、热稳定性好、成本低等特点而备受关注。因此,本研究利用静电纺丝技术,经280℃的预氧化处理和1000℃碳化处理工艺,制备PAN基纳米碳纤维钠离子电池材料,并研究其储钠性能。结果表明,在电流密度为68 mA/g的条件下,循环100次后充电比容量为186.6 mA·h/g,容量保持率为83.6%;倍率测试结果表明,通过静电纺丝制备的PAN基纳米碳纤维材料可逆容量高、倍率性能优异。本研究为制备钠离子电池提供了参考。

聚丙烯腈基碳纤维增强结构用桉木单板层积材的研制

用普通桉木单板研究开发高强结构用木质复合材料,解决当前桉木因材性较差难以适应结构用材的需求及普通单板层积材弹性模量与静曲强度指标大多维持在120E~140E的较低水平等问题,开拓新型结构用单板层积材的应用市场。运用复合材料层合板理论、界面结合理论研制聚丙烯腈(PAN)基碳纤维增强结构用单板层积材(SLVL),采用正交试验方法探究产品结构与工艺因素对复合板材各项理化性能的影响,以及分析碳纤维铺设率对力学性能的影响规律。结果表明:PAN基碳纤维增强复合材料效果显著,各理化性能均呈提高的趋势但增幅不一。热压压力对板材浸渍剥离性能和水平剪切强度影响显著,纳米SiO_(2)添加与碳纤维层数及铺设结构对性能有较大影响。各工艺因素对弹性模量和静曲强度的影响趋势及较优水平基本一致,但方差分析显示试验范围各因素变化产生的影响不显著。优化工艺参数为碳纤维层数2层、纳米SiO_(2)2.5%、热压时间1.25 min/mm、热压压力2.0 MPa。为提高材料利用效率并降低成本,碳纤维铺设率的提高有利于SLVL力学性能的提升,铺设率从30%增大到50%时,各项性能的提高幅度较大,继续增至70%时提高幅度有所下降,趋势表明选择适当的铺设率可以达到合理利用与成本控制的目的。

石墨相氮化碳/MXene/磷酸银/聚丙烯腈复合纳米纤维膜的制备及其光催化性能

为解决单一催化剂传质效率低、光生载流子易复合、光吸收性能和反应活性位点有限、重复利用性能差等问题,首先构建了石墨相氮化碳/MXene/磷酸银(g-C3N4/MXene/Ag3PO4)粉状S型异质结催化剂,并采用静电纺丝技术制备了g-C3N4/MXene/Ag3PO4/聚丙烯腈复合纳米纤维膜;使用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、红外光谱仪、X射线衍射仪对纳米纤维膜的形貌和性能进行表征,并考察了其对废水中有机染料的光催化降解性能。结果表明:通过静电纺丝技术能够将g-C3N4/MXene/Ag3PO4成功地负载在聚丙烯腈上,并均匀地分布在复合纳米纤维膜表面;纤维负载前后的直径均匀,尺寸为200~400 nm;g-C3N4/MXene/Ag3PO4/聚丙烯腈复合纳米纤维膜的催化氧化性能与粉状催化剂相比有所降低,但其在180 min时对染料的降解率并未显著降低(91.2%);重复使用5次后复合纳米纤维膜对活性红195依然具有较高的脱色率;自由基淬灭实验发现,超氧自由基·O2-和空穴h+是染料发生氧化降解反应的主要活性物种,并依此提出光催化氧化降解染料的机制。

聚丙烯腈基活性中空碳纳米纤维制备及其性能

为制备具有较高孔隙率的聚丙烯腈(PAN)活性中空碳纳米纤维(AHCNF),以自行制备的PAN为原料,经同轴静电纺丝、预氧化、炭化、活化后制备得到AHCNF,借助X射线光电子能谱仪、扫描电子显微镜、比表面积测试仪研究了致孔剂对其形态与孔结构的影响。结果表明:制备的PAN共聚物环化温度较低,环化放热较缓和,有利于预氧化的进行;炭化过程将PAN表面的碳氧单键转化为碳氧双键,而活化过程将碳氧双键进一步转化为酯基;添加致孔剂和未添加致孔剂得到的PAN活性中空碳纳米纤维横截面呈明显的中空结构,纤维壁较为致密;添加致孔剂后,活性中空碳纳米纤维的总比表面积从55.719m^2/g增加到532.639m^2/g,孔容从0.070cm^3/g增加到0.312cm^3/g,介孔平均孔径从3.408nm增加到4.309nm,收率从27.14%降低到9.44%。

电纺法制备聚丙烯腈基纳米碳纤维

用电纺法制备了聚丙烯腈(PAN)纳米纤维,用场发射扫描电镜(FESEM)对其形态进行了研究,讨论了不同工艺参数对纤维直径和分散形态的影响。结果发现,纤维直径随着浓度的增加而增大,随着电压升高而减小,接收距离和溶剂类型对纤维直径的影响不大。将形态最好的纤维在240℃下进行活化处理,然后将活化处理过的纤维在氮气氛中煅烧,用FESEM观察了煅烧的纤维直径及形态的变化,红外(IR)分析了纤维化学结构的变化,证实了经900℃煅烧后的纤维为碳纳米纤维。

聚丙烯腈基多孔碳纳米纤维的制备及其结构与性能研究

以聚丙烯腈(PAN)为碳源,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为造孔剂,采用静电纺丝法制备出PAN/PVP复合纳米纤维,经水洗处理以及预氧化和碳化处理制备出PAN基多孔碳纳米纤维,采用扫描电镜、傅里叶变换红外光谱仪、差示扫描量热仪以及X射线衍射仪对碳化前后纤维的形貌和结构进行了表征,采用比表面和孔径分布分析仪、电化学工作站对多孔碳纳米纤维的比表面积、孔径分布及电化学性质进行了研究。结果表明:在预氧化和碳化处理过程中PAN基多孔纳米纤维的结构发生了变化,形成了碳碳键的环状结构;随着PVP含量的增加,多孔碳纳米纤维的比表面积增大,比电容增大;当加入PVP的质量分数为20%时,PAN基多孔碳纳米纤维的比表面积和孔体积可以达到216.684 m2/g和0.102 m3/g,扫描速率为5 m V/s的条件下其比电容可达154.36 F/g,电极电阻为3.64Ω。

Sn-Zn合金包覆PAN基碳纤维/聚六氟丙烯有机光纤材料的制备

采用Sn-Zn合金包覆聚丙烯腈(PAN)基碳纤维,以聚六氟丙烯为载体制备塑料光纤(POF)皮层材料,并将POF皮层材料与聚苯乙烯光纤芯材进行匹配,研究了材料在力学性能、传输损耗性、光场强度方面的变化。结果表明:Sn-Zn合金表面包覆PAN基碳纤维与聚六氟丙烯结合紧密,作为POF皮层材料的效果良好,在最常见的650 nm波长、100 m内,传输低于100 Mb/s速率数据信息的能力符合要求,光信号基本环绕着光纤芯材传播,没有过多的光信号因为皮层材质的缘故而散失,表明该皮层材料与聚苯乙烯光纤芯材的匹配性较高。

电纺丝制备聚丙烯腈基纳米碳纤维

介绍了静电纺丝的原理,影响静电纺丝的主要影响因素,以及制备纳米碳纤维的方法和原理;探讨了利用静电纺丝技术制备纳米碳纤维的应用前景。

溶液喷射法制备聚丙烯腈基纳米碳纤维的研究

采用溶液喷射法制备了聚丙烯腈(PAN)纳米纤维,探讨了纺丝工艺参数对纤维形貌和直径的影响,优化了纺丝工艺,制得了直径分布为160～380 nm的PAN纳米纤维;经260℃空气氛围预氧化,900℃氮气氛围碳化,对得到的纤维的结构和形貌进行了表征,结果表明得到了平均直径为170 nm的纳米碳纤维。

纺丝工艺及预氧化条件对离心纺聚丙烯腈基纳米碳纤维的影响

采用离心纺丝及预氧化碳化技术制备聚丙烯腈基纳米碳纤维,通过正交试验,对离心纺丝制备纳米聚丙烯腈纤维的4个工艺参数(溶液浓度、转速、针头直径和接收距离)进行优化组合,探究最佳的组合工艺;并对聚丙烯腈纤维预氧化工艺中的温度和时间进行组合优化。结果表明:在离心纺丝工艺中,浓度是对纤维直径影响最大的工艺参数,而转速则是对纤维均匀度影响最大的参数;预氧化处理的温度应在250℃以上,以280℃为宜,且适宜的预氧化时间为2 h。

高效液相色谱法测定聚丙烯腈基碳纤维原丝中的二甲基亚砜残留

建立了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维原丝中二甲基亚砜(DMSO)残留量的高效液相色谱(HPLC)检测方法。采用的色谱柱为Phenomenex C18柱(150mm×4.6mm,5μm),流动相为甲醇-三氟乙酸-水(体积比为29∶1∶70)混合溶液,流速为1.0mL/min,进样量为10μL,检测波长为205nm,柱温为常温。研究结果表明,在DMSO的质量浓度为1.00-100.00mg/L范围内,峰面积与质量浓度的线性关系良好,相关系数r=0.998 9,最低检出限为0.3mg/L,平均回收率为98.4%,相对标准偏差(RSD)为2.6%。该方法简便、快速、准确。另外,利用建立的HPLC方法,对原丝中残留的DMSO在水中的溶出规律也进行了研究。