电纺法制备碳和MnO 2纳米纤维及其超级电容性能研究.pdf

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1、电纺法制备碳和MnO2纳米纤维及其超级电容性能研究STUDYONPREPARATIONOFCARBONANDMnO2NANOFIBERSBYELECTROSPINNINGANDTHEIRSUPERCAPACITIVEPROPERTIES赵磊2014年4月万方数据国内图书分类号：TQ34学校代码：10213国际图书分类号：677密级：公开工学博士学位论文电纺法制备碳和MnO2纳米纤维及其超级电容性能研究博士研究生：赵磊导师：于杰教授申请学位：工学博士学科：材料学所在单位：深圳研究生院答辩日期：2014年4月授予学位单位：哈尔滨工业大学万方数据ClassifiedInd

2、ex:TQ34U.D.C:677DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringSTUDYONPREPARATIONOFCARBONANDMnO2NANOFIBERSBYELECTROSPINNINGANDTHEIRSUPERCAPACITIVEPROPERTIESCandidate：ZhaoLeiSupervisor：Prof.YuJieAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MaterialsScienceAffiliation：ShenzhenGra

3、duateSchoolDateofDefence：April,2014Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology万方数据摘要摘要超级电容器具有充放电速率快、循环寿命长、价格低廉和环保等优点,在电动汽车、消费电子产品、存储器备用电源等很多领域有着重要的应用。但是目前商用超级电容器的比能量仅为5-10Wh/kg，远低于锂离子电池的比能量，限制了其应用。因此，研究制备新型电极材料以提高其比能量等性能是目前超级电容器研究领域的迫切任务。静电纺丝是一种制备纳米尺度纤维的简单方法，在组织工程、净化过滤、催化

4、、传感器、复合材料等领域有广泛应用前景。由于静电纺丝具有制备方法简便，成本低廉，制备出的纳米纤维不团聚等优点，其在超级电容器电极材料的制备方面具有明显的优势。本论文利用静电纺丝方法制备了具有超细直径的纳米碳纤维，通过独创的工艺在纳米碳纤维表面制备了径向生长的石墨烯结构；研究了电化学处理对纳米碳纤维电化学性质的影响，建立了通过电化学处理改善纳米碳纤维性能的工艺方法；以纳米碳纤维为模板和还原剂，通过与高锰酸钾（KMnO4）溶液反应制备了蜂窝状多孔MnO2纳米纤维，研究了其形成规律及结构特征。主要研究内容和结果如下：研究了氨气（NH3）气氛中碳化温度对纳米碳纤维形貌和结构

5、的影响，结果表明，NH3气氛碳化有利于纳米碳纤维直径的减小，通过适当的工艺控制可o以获得超细直径的纳米碳纤维。1100C碳化获得的纳米碳纤维最细，平均直径o达到11nm，且表面有石墨烯结构。1100C碳化获得的纳米碳纤维作为电极材料组装成水系超级电容器的工作电压达到1.8V，在450W/kg的比功率下的比能量达到29.1Wh/kg。5000次充放电测试后比电容保持率为93.7%。1100°C下碳化获得的纳米碳纤维组装的有机超级电容器的工作电压为4V，1.67A/g的电流密度下获得的比电容为111F/g，比能量为61.9Wh/kg。研究了电化学处理对超级电容器性能的影

6、响，发现对电极材料施加交替正负向电压进行循环处理可以有效提高超级电容器的工作电压和比电容，建立了o一种改善超级电容器性能的简单方法。对于900CNH3中碳化的纳米碳纤维所组装的超级电容器，经过3000次循环处理后的超级电容器性能大幅提高，1A/g的电流密度下的比能量从0.5Wh/kg提高到15Wh/kg。电化学处理后的超级电容器在经过15000次充放电后的比电容保持率为94.5%，0.2A/g电流密度下的比能量达到19.7Wh/kg。-I-万方数据哈尔滨工业大学工学博士学位论文利用纳米碳纤维与KMnO4溶液反应制备了MnO2纳米纤维，研究了溶液浓度和反应时间对MnO

7、2产物形貌结构和性能的影响。结果表明溶液浓度和反应时间强烈影响产物的结构，过高浓度下产物为核/壳结构的C/MnO2复合纳米纤维，过低浓度下的产物表面结构不明显。随着反应时间的增加MnO2纳米纤维直径不断增加，内部碳纤维直径不断减小，但不同浓度下的MnO2纳米纤维表面的生长速度有所不同。溶液浓度为2mM时并经过48h反应制备出了蜂窝状多孔结构的MnO2纳米纤维，该纤维由径向生长的纳米片组成，纳米片厚度为3-7nm。利用蜂窝状多孔MnO2纳米纤维和1MNa2SO4电解液组装的超级电容器具有突出的性能，工作电压达到2.2V，3.3kW/kg的比功率下比能量达到41.1