多孔纳米炭纤维的制备及其电化学性能研究

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1、密级中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文墨垫麴苤炭红维殴剑釜厘基皂丝堂丝鳇班塞作者姓名：呈昌指导教师：室量型班塞鱼主巨型堂暄出酉堪越丝堂班窟匮苤蕊班基虽虫国叠堂睦出酉堪塞丝堂班塞压学位类别：工堂丝±学科专业：挝魁堂培养单位：主巨型堂瞳出酉堪越位堂班宜匮2013年4月CarD0nnan0Iihers■一lMaChangADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegree

2、ofDoctorofMaterialsScienceKeyLaboratoryofCarbonMaterials，InstituteofCoalChemistry,ChineseAcademyofSciences，Taiyuan，Shanxi，P．R．ChinaApril2013致谢本论文是在史景利研究员和宋燕研究员的悉心指导下完成的，两位恩师严谨的治学态度，渊博的知识，活跃的学术思维，求实的工作作风都为我树立了榜样，作者将受益终身。两位老师除了在学术上给予我悉心的指导与教诲，还在生活上给予了无微不至的关怀，在此谨向二位恩师献上诚挚的谢意，祝两位恩师身体健康，工作愉快!感谢刘朗研究员、郭全

3、贵研究员、宋进仁研究员对我论文工作的关心和提出的大量宝贵建议。感谢张东卿副研究员、刘占军副研究员、高晓晴副研究员在研究工作中提供的帮助。在论文工作期间，得到705组全体工作人员的大力支持，感谢翟更太、刘乃芝、刘长安、曹雅秀、张金喜、周小棣、张燕、郭晓慧等人在我实验进行过程中提供的帮助。感谢樊彦贞老师在测试与分析上提供的大力帮助与有益的建议。感谢耿煜、李鹏、李四中、雷世文、杨宇、仲亚娟、陶则超、张金才、钟明、李鹏、赵松、宋金亮、李进、刘均庆、肖客松、汪向磊、杨金华、赵云、王慧奇、翟晓玲、王相君、王立勇、马灿良、曹涛、刘双、王凯、曹瑞雄、孔垂周、闫蕊张飞等同门学子在实验、学术和生活上的帮助。感

4、谢谌磊、闫琪轩、李吉凡、张继柱、曾光、李俊国、武蒙蒙、刘广波等好友在研究生课程学习期间的帮助。感谢研究生部梁萍老师、韩丽娜老师、孔鹏老师、原辉老师、尹钢老师、王娜老师、訾丽萍老师多年来在学习和生活上给予的指导与关怀。感谢图书馆、科研处、物资处、仪器站、网络中心、档案室等部门提供的帮助与便利。感谢中科大麻茂生老师、国家纳米中心彭开武老师在测试上提供的帮助。感谢父母的辛勤的培育和无私的关怀，是他们的期待与鼓励给了我完成学业的无尽动力，愿他们永远幸福。感谢哥哥马威和嫂子王书静对我求学的支持与鼓励。感谢妻子雷霆在生活中的关心、理解和鼓励。感谢所有关心、帮助和支持我的人们!最后，感谢为评审本论文付出

5、辛勤劳动的全体专家学者。霜弩白白≯汐r多．妙摘要超级电容器具有优良的功率密度，可观的能量密度以及长的循环寿命。这些优异的特性使其在许多领域，例如电子产品、电动汽车和大功率牵引机等，引起了广泛的关注。影响超级电容器性能的关键是电极材料。电纺制备的纳米炭纤维薄膜具有表面积大、电导率高、制备工艺简单、成本低廉和结构自持等优点，是一种具有潜力的柔性电极材料。本文以热固性酚醛树脂／聚乙烯醇(PVA)的水溶液为纺丝液，经过电纺、固化和炭化制备了具有三维纳米纤维网络结构的炭纤维薄膜。通过改变原液浓度和纺丝参数实现了纤维直径的有效调控。所得炭纤维薄膜含有丰富的微孔、高的比表面积、大量的表面含氧官能团和可观

6、的电导率。其中800oc处理的炭纤维(PCNF一800)微孔体积达0．193cm3／g，比表面积达416mZ／g，表面含氧量达8．29at．％，电导率达3．58S／cm。所得炭纤维薄膜具有优异的电容性能。PCNF．800的比电容高达171F／g，在高速下(100mY／s)下，依然保持143F／g的比电容。探讨了炭纤维薄膜结构与电化学性能的关联性。通过在纺丝原液中添加造孔剂实现了对酚醛基电纺炭纤维孔结构的调控，制备了富含微孔或中孔的纳米炭纤维。1)在酚醛树脂／聚乙烯醇(PVA)纺丝液中添)ⅡHKOH使酚醛基电纺炭纤维的微孔体积和比表面积得到明显的提升。通过调节原液中KOH的含量，实现了炭纤维

7、平均直径和炭纤维薄膜的体积密度在较宽的范围内可调。所得炭纤维尽管具有温和的比表面积，但是具有非常优异的电容性能。当固含量(KOH／PF+PVA)为20Ⅲ．％时，炭纤维比表面积达597m2／g，比电容高达256F／g。分析表明，O．7—1．2Flm的微孔是水溶液电解质形成双电层的最佳孔径。2)在酚醛树脂／聚乙烯醇纺丝液中添加硅溶胶制备了富含中孔的纳米炭纤维，通过调节原液硅溶胶含量制备了具有不同中孑L率和孔径的炭纤维，产物炭