纤维素纳米材料在复合导电气凝胶中的应用

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中文摘要：随着世界科技力量的逐步发展，能量需求逐渐成为众多需求中巨大的一环，超级电容器以其优异的电化学性能以及循环寿命长等特点在储能材料领域中愈发耀眼。石墨烯类物质具有超强的导电性能以及巨大的比表面积，聚吡咯作为导电聚合物可以提供高效的比电容，两者结合后的超级电容器电极材料具备高电导率、高比电容、循环寿命持久的优点，但该材料存在着结构易团聚而导致电化学性能下降的缺点。以纤维为原料制备的纤维素纳米材料包括纤维素纳米纤丝（CNF）以及纤维素纳米晶（CNCs），对于导电活性物质有着优异的分散效果，该类材料制备的气凝胶可以形成多孔的网络结构，为导电活性物质提供了分散、支撑、依附的功能。因此以纤维素纳米材料为基底结合石墨烯类物质以及导电聚合物有望制备出高电化学性能的超级电容器电极材料。为探讨CNF与CNCs两种不同制备方法的纤维素纳米材料对于复合储能电极材料电化学性能的优缺点，本文在以TEMPO氧化法制备纤维素纳米纤丝（CNF）的基础上，使用FeCl3·6H2O为氧化剂制备聚吡咯（PPy），引入氧化石墨烯（GO），三者复合通过冷冻干燥法制备气凝胶，最后通过维生素C对复合气凝胶进行还原，将体系内分散较好的GO还原成为还原氧化石墨烯（RGO）。最终得到CNF/RGO/PPy复合气凝胶，该气凝胶材料有着三维网络结构、高孔隙率、低密度、高比表面积、电化学性能优异等优点。并以CNCs物理交联的形式通过上述手段结合RGO与PPy，制备气凝胶电极材料。并对两种气凝胶分别进行了表征分析，研讨了不同复合比例与制备方法的气凝胶材料对于机械性能和电化学性能的影响。由于复合气凝胶内部有着丰富的孔隙结构形成孔道，利于电子传输效率与电解液的渗透，这对于在新型储能电极材料领域的应用有着天然的优势与巨大的潜力。具体研究内容如下： 1.在仅引入GO的情况下，探究了不同GO添加量气凝胶材料的形态结构及电导率值，结构表明，在CNF/GO为3:1时，电导率为5.21S/cm，且结构较为紧密。继续加大GO的比例后电导率缓慢增加，但结构出现了松散塌陷的现象，因而选取3:1的比例进行后续引入聚吡咯的实验。 2.在引入PPy时，探究了机械混合法与原位聚合法两种不同制备方法对于复合材料电化学性能的影响，研讨了不同复合比例下电化学性能的影响。结果表明原位聚合法相较于机械混合法有着更优异的孔隙结构和电化学性能，且当CNF:RGO:PPy=6:2:3时，电化学性能最优，在电流密度为0.25mAcm-2时，比电容量为327.2F·g-1。 3.在两种不同的纤维素纳米材料制备储能电极材料后，对两种材料从结构和性能两个方面进行了对比，结果表明，以CNCS物理交联PVA为基底所制备的复合导电气凝胶材料的电化学性能有更为显著的优势，同时该材料的压缩性能也更为优越，在电流密度为0.25mAcm-2时，比电容量为352.2F·g-1。

作者：

栾云浩

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关键词：

纤维素纳米材料复合导电气凝胶还原氧化石墨烯纤维素纳米晶电化学性能

授予学位：

硕士

学科专业：

轻工技术与工程

导师：

刘鹏涛、华飞国

学位年度：

2022

学位授予单位：

天津科技大学

语种：

中文

中图分类号：