![点击分享此内容可以赚币 分享](/master/images/share_but.png)
木质纤维素基复合碳气凝胶的制备及其电化学性能.pdf
《木质纤维素基复合碳气凝胶的制备及其电化学性能.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《木质纤维素基复合碳气凝胶的制备及其电化学性能.pdf(11页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、林业工程学报,():收稿日期:修回日期:基金项目:国家林业和草原局林业和草原青年拔尖人才项目()。作者简介:陈雪琦,女,助理研究员,研究方向为木质复合材料。通信作者:常亮,男,副研究员。:木质纤维素基复合碳气凝胶的制备及其电化学性能陈雪琦,唐启恒,常亮,郭明辉(中国林业科学研究院木材工业研究所,北京;东北林业大学材料科学与工程学院,哈尔滨)摘 要:以纤维素纳米纤丝和多壁碳纳米管为主要原料,采用一步水热法、冰模板法冷冻干燥以及高温煅烧法,成功制得具有多级连通类木材管胞状孔结构的氮掺杂碳点的复合衍生碳气凝胶,并对其微观形貌、化学结构、比表面积和孔隙度进行表征。通过循环伏安测试、恒电流充放电测试、交
2、流阻抗测试和长循环测试等电化学表征手段分析其电化学性能。结果表明:碳气凝胶表面经高温煅烧得到大量氮、氧杂原子掺杂的碳微颗粒和碳微绒毛,提高了碳气凝胶的缺陷态结构含量和比表面积,其比表面积可达 ;在三电极测试体系下,比电容可达 (测试电流密度为 ,电压窗口为);在 的电流密度下,进行 次充放电循环后,电容保持率可达。衍生碳气凝胶独特的微观形貌和高比表面积,为能量存储提供了更快速和便捷的电子 离子传输通道、优异的导电性和更高的比容量,为超级电容器等储能器件电极材料的设计提供了木基生物质资源利用的新思路。关键词:碳点;纤维素纳米纤丝;碳气凝胶;超级电容器;电化学性能中图分类号:文献标志码:文章编号:
3、(),(,;,):,()(),(),(),:;第 期陈雪琦,等:木质纤维素基复合碳气凝胶的制备及其电化学性能 当前,制备新能源材料、研发新能源器件是我国未来科技发展的重要方向,指引着我国未来能源领域迈向低碳循环、可持续发展的新阶段。基于此,构建绿色环保、低碳可循环的新型能源材料和储能器件成为能源领域研究的新共识。超级电容器结合了二次电池的高能量密度和传统电容器的高功率密度,在近年的能源领域发展迅猛。为进一步有效提高超级电容器电性能,通常引入具有优越的导电性能、多孔结构以及化学稳定性的各类碳材料,包括一维的碳纳米管、碳纤维,二维的石墨烯片层以及三维的各类碳气凝胶、多孔碳等。其中,以来源于木材的生
4、物质富碳材料纤维素纳米纤丝(,)为主要原料构建的气凝胶材料,具有高比表面积、多级孔道结构、绿色环保、可循环再生等优势,是替代石化产品制备相应衍生碳气凝胶的优质原料。此外,通过简单的水热法合成制备的零维碳 点(,)因其简单、环保可持续的特性而备受关注,在能源领域初绽头角。具有独特的量子限域效应、边界效应以及丰富的杂原子掺杂表面结构,将其引入超级电容器的电极材料中能够提供良好的电极 电解质界面,促进电子 离子的转移,改善电极材料的表面态,引入富电子区,或通过引入杂原子为碳电极材料提供部分赝电容,从而显著提升储能器件的电化学性能。若将 均匀分散引入 衍生碳气凝胶骨架结构中,即可在碳气凝胶电极材料中发
5、挥其作为零维碳纳米材料的独特作用。笔者采用简单温和的一步水热法,制备以 和多 壁 碳 纳 米 管(,)为骨架结构,含大量氮掺杂碳点(,)的水凝胶,将其作为构建多孔衍生碳气凝胶的优质前驱体,经高温煅烧得到具有多级连通类木材管胞状孔结构、高比表面积的复合导电碳气凝胶材料()。对 的微观形貌、化学结构、比表面积和孔隙度进行表征。通过循环伏安测试、恒电流充放电测试、交流阻抗测试和长循环测试等电化学表征手段分析研究其电化学性能,为超级电容器等储能器件的电极材料设计提供木基生物质资源利用的新思路。材料与方法 试验材料桉木()纤维,粒径为 (目),由浙江久盛地板有限公司提供;冰乙酸、亚氯酸钠、,四甲基哌啶氧
6、化物(,)、溴化钠、氢氧化钾、次氯酸钠、氢氧化钠、盐酸、硫酸、乙二胺(,)均由上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供;羧基化,直径 ,长度 ,羧基化质量分数为,由南京先丰纳米材料科技有限公司提供;炭黑由日本 电化株式会社提供;聚四氟乙烯(,)由美国杜邦公司提供。实验用水均为去离子水,除桉木纤维外其他试剂均为分析纯,无需进一步提纯即可使用。试验方法 的制备 桉木纤维,经去离子水清洗并烘干后,移入锥形瓶中,然后加入 去离子水、冰乙酸和 亚氯酸钠,摇匀后 水浴加热。随后,加入 冰乙酸和 亚氯酸钠并摇匀,继续 水浴 。重复上述步骤 次,脱除木纤维中的木质素直到样品变白,获得综纤维素。取 氢氧化钾溶液与综纤
7、维素在 下反应 以去除半纤维素,用去离子水洗涤直至中性,制得纯化纤维素,将其分散在水中得到质量分数为 的纯化纤维素悬浮液。采用超声波细胞破碎机(,宁波森茨生物技术,中国)在冰水浴中、频率和 的输出功率下,将纯化纤维素悬浮液高强度超声,制得纤维素分散液。随后,取 和 溴化钠加入纯化纤维素分散液中,氧化反应开始时,加入 的次氯酸钠溶液,逐滴加入 氢氧化钠溶液将 控制在,当 停止下降时,终止反应,得到 分散液。采用 盐酸滴定调节上述分散液的 至,在 离心速度下离心 ,以去离子水洗涤得到 分散液。的制备)前驱体水凝胶的制备:分别称取一定量的 加入 质量分数为 的 分散液中,配得 占 质量分数为,的混合
8、液,将各混合分散液搅匀后,用超声波细胞破碎机超声分散 ,得到 和 均匀分散的水分散液。随后,在中速搅拌下将 滴加到上述分散液中,搅拌 后转移到水热高压反应釜内胆中,密封 下反应。随后,将反应釜自然冷却至室温,得到黑色的林 业 工 程 学 报第 卷圆柱形凝胶,记为 ,其中 为凝胶中 的质量分数,即,。将水热制备的不含 的 作为参照样。将所得的全部凝胶样品切成厚度为 左右的圆形薄片待用。)衍 生 碳 气 凝 胶 制 备:取 上 述 和,采用冰模板法进行冷冻,选择 块厚度为 的铜板置于液氮上,将凝胶薄片放置在铜板上冷冻 ,制得具有定向冰晶生长的冷冻凝胶,随后将其快速移入冷冻干燥机中冷冻干燥 ,得到相
9、应的 和。将所得气凝胶样品置入管式炉中,在氮气气氛下,以 的升温速率将炉内温度升至 ,保持 后,再以 的升温速率将炉内温度升至 ,保持 后,自然冷却至室温,再经 的 硫酸酸洗和去离子水水洗,得到的样品记为 和。性能测试 微观形貌表征采用扫描电子显微镜(,荷兰)观察气凝胶及碳气凝胶的三维网络结构与孔道结构。将碳气凝胶样品研磨并分散在乙醇中,用透射电子显微镜(,日本)进行观察。化学结构表征 射线衍射(,)光谱由 射线衍射仪(,日本理学,日本),在 辐射下()测试。光谱由 显微镜(,美国)测得。傅里叶变换红外光谱(,)由红外光谱仪(,美 国)测 得。射 线 光 电 子 能 谱(,英国)由 辐射()测
10、得。比表面积和孔隙度测试采用 分析仪(,美国)测试绘制样品的氮气吸附 脱附等温线。在进行吸附 脱附测试之前,样品在 下真空脱气 。使用()法计算样品比表面积,并用密度泛函理论(,)孔隙模型分析样品的孔径分布。电化学性能测试按 的质量比将样品(即活性物质)、炭黑和 粉末均匀混合,随后将其研磨、辊压成薄片,裁剪为直径 的圆片,将圆片质量控制在 左右,将制得的电极材料与钛网、聚丙烯隔膜共同压制成为电极片,用作工作电极。以 为参比电极,电极为对电极,硫酸为电解液,构成三电极体系,进行电极材料的电化学性能测试,所有电化学测试均由电化学工作 站(,法国),在室温()下进行。循环伏安测试(,)和恒电流 充
11、放 电 测 试(,)的电压窗口为,交流阻抗测试(,)的频率范围设定为。电极材料比电容()通过 测试方法计算得到,如式()所示:()式中:为放电电流,;为放电时间,;为电极片中活性物质的质量,;为放电过程中的电压窗口,。结果与分析 微观形貌分析气凝胶和碳气凝胶样品相应的微观形貌如图 所示。图 显示,通过冰模板法制备的 具有三维交联互通的壁层结构,其内部存在大量孔洞,形成了类似于木材管胞的形貌结构。但是由于 的热稳定性较差,因此在高温煅烧制备 的过程中,其孔道结构发生了一定程度 的 塌 陷(图)。图、显 示,由 于 热稳定性优异,在高温煅 烧 后 仍能保持较高的支撑性和原有的孔道结构,凝胶的三维孔
12、道结构表现出了明显的各向 异 性 以 及 相 互 连 通 的 木 材 管 胞 状 结 构。和 凝胶壁的微观形貌如图、所示,可以看出,使得 表面并不光滑,高浓度 团聚而形成的小颗粒,经过高温煅烧后,导致 团聚物在 表面发生了原位聚合和生长,形成团簇状的掺氮碳颗粒。由图、可知,相比于 较为光 滑 的 表 面(图),在 诱导下,表面原位生长出了大量基于 的碳微绒毛(图),第 期陈雪琦,等:木质纤维素基复合碳气凝胶的制备及其电化学性能可有效提高碳气凝胶的比表面积。、);、);、);、)。图 气凝胶和衍生碳气凝胶样品的 图像 将 研磨并超声分散在乙醇当中,澄清后取上清液进行 测试,碳气凝胶表面 衍生碳颗
13、粒和碳微绒毛的微观形貌如图 所示。图 显示,由于高强度超声,部分 原位聚合而成的掺氮碳颗粒和碳微绒毛被打碎并分散于乙醇中,呈现出团聚碳点的形态。图 显示,碳微绒毛为短棒状结构,表面附着有大量疏松的碳纳米颗粒。进一步放大得到其高分辨率 图,如图、所示,图中圆圈中为碳微绒毛上附着的,可以观察到其清晰的晶格结构,晶面间距约为 ,为类石墨相结构的()晶面,衍生碳颗粒为不规则的类球型结构,粒径约为 ,可观测到的碳结晶态结构较为明显,证明高温煅烧对 衍生碳颗粒和碳微绒毛的石墨化程度产生了显著的积极影响。图 的 图像 图 的合成示意图 合成过程如图 所示。由于 与 表面均含大量羧基,借助两者之间的静电斥力,
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 木质 纤维素 复合 凝胶 制备 及其 电化学 性能
![提示](https://www.zixin.com.cn/images/bang_tan.gif)
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。