ZIFs@聚合物衍生炭纳米纤维的制备及其电化学储能研究

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本文主要采用静电纺丝技术,将聚合物(油溶性PAN、PAA和水溶性PVA、PVP一种或其混合物)同金属有机骨架聚合物(ZIF-8、ZIF-67)混合,制备ZIFs@聚合物静电纺丝纤维。然后通过热解炭化、酸洗和活化等过程,得到ZIFs@聚合物基分级孔柔性炭纤维膜材料。结合一系列分析测试设备:光学电子显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X-射线粉末衍射仪(XRD)、红外光谱分析(FTIR)和热重分析仪(TG)等,分析了材料的形貌结构、组成含量和物化性质等。以炭纤维膜为电极材料,通过交流阻抗分析、循环伏安法和恒电流充放电测试等,研究炭纳米纤维结构与其电化学性能之间的结构-效能关系。主要研究分为以下几个方面:(1)纳米ZIFs颗粒及二维纳米片的制备。通过室温合成法制备不同粒径大小的ZIF颗粒,通过调整反应物配比、反应条件和结构调控,得到具有特定形貌结构和分级多孔结构的纳米材料并对制备的样品进行表征。结果显示,制备的纳米粒子生长情况良好,纯度可以达到95.6%,平均粒径可达200nm左右。通过添加晶体生长控制剂,探索了ZIF粒子的合成过程。结果显示,十二烷基三甲基氯化铵适合的油性链长度,可以在ZIFs粒子生长过程中附着于ZIFs晶体表面,阻挡了ZIFs沿着横轴方向组装,从而得到纵向方向生长的ZIFs二维纳米ZIF-67片状材料。(2)ZIFs@聚合物衍生炭纳米纤维的制备。采用共混法、外部生长法和层层自组装法制备ZIFs@聚合物纳米纤维。考察不同制备方法对静电纺丝纤维的影响和作用机制。通过SEM、IR、TG等分析测试对静电纺丝纤维的形貌结构、组成成分和物化性能等进行表征。结果显示,实验制备的ZIFs@聚合物纳米纤维中,ZIFs粒子清晰可见,纤维连续性良好,直径在200-500nm左右,其中ZIF-67@PVP纳米纤维呈现“叶脉状”结构。通过后续的炭化以及酸洗处理得到ZIFs@聚合物衍生炭纳米纤维。SEM、TG和XRD等手段对ZIFs@聚合物衍生炭纳米纤维的形貌结构、成分组成和物化性能等进行表征。结果显示,制备的二维片状ZIFs@聚合物基衍生炭纤维,将二维片状ZIFs基炭通过一维聚合物基炭纤维相连接,形成具有高电子电导率、窄孔径分布范围、高比表面积等性能优点的自支撑结构三维网状分级多孔炭纤维膜结构。(3)ZIFs@聚合物衍生炭纳米纤维电化学储能行为研究。以ZIFs@聚合物衍生炭纳米纤维为电极材料,离子液体为电解液,组装成模拟超级电容器。通过Zsimp Win交流阻抗模拟电路进行阻抗分析、电化学工作站进行循环伏安分析、恒流充放电分析和循环寿命测试分析,对其电化学性能进行测试。结果显示,由于ZIFs基炭具有孔径分布均匀、孔结构规则和边缘缺陷少等特点,因此,具有孔隙结构利用率高、离子传输速率快和电化反应活性位少等特点,成为一种理想的双电层电容器电荷存储活性材料。而聚合物基炭纳米纤维具有电子导电性高、柔韧性好和结构可调性好等特点,可以作为ZIFs基衍生炭颗粒的连接、支撑材料。其中,由于ZIF-67@PAN基衍生炭纳米纤维超级电容器具有比表面积大、孔隙结构分布均匀和电阻低等特点,其具有较大的比电容量(226.2 F/g)、较低的内阻(0.31Ω)和良好的充放电循环稳定性(1000次后电容保持率可达到97.89%)。
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