论文部分内容阅读
纳米纤维素(CNF)和多壁碳纳米管(MWCNT)因为其独特的一维纳米结构和物理特性而广泛应用于储能、催化和吸附等领域。鉴于MWCNT良好的导电性和优异的物理和化学性能、CNF良好的柔韧性和成膜性,尤其是CNF对MWCNT具有优异的分散能力。本论文以MWCNT和CNF为基本组分,结合模板法制备了多种三维多孔电极材料,并研究了其相关的电化学性能和其在超级电容器中的应用。主要包括以下内容:1.基于MWCNT/CNF分散液在冷冻干燥过程中自聚集成膜的特性,以三维多孔的三聚氰胺泡沫(MF)为模板,经过高温炭化处理,成功构筑了氮掺杂的三维多孔MF/CNF/MWCNT(N-MCM)杂化炭材料。然后,通过氧化还原和原位聚合反应分别制备了高性能的N-MCM-MnO2和N-MCM-PPy电极材料。此外,N-MCM-Mn02和N-MCM-PPy电极材料具有良好的循环寿命,在10rrmA/crrm2的电流密度下充放电循环5000次后容量保持率分别为初始值的86.2%和84.0%。2.以泡沫镍(NF)三维网络为“骨架”、MWCNT/CNF分散液冷冻干燥过程中自聚集形成的薄片为“蒙皮”,制备了“蒙皮-骨架”结构的MWCNT/CNF-NF(MCN)杂化材料。本工作以MCN为电化学活性物质平台分别负载了聚吡咯(PPy)、二氧化锰(Mn02)以及活性炭(AC)制备了高比容量的PPy-MCN、Mn02-MCN和AC-MCN电极材料;在5 rrmA/crrm2的电流密度下其面积比容量分别高达2217.8 mF/cm2、1784.8 mF/cm2和868.8 mmF/cm2。与此同时,成功组装了MnO2-MCN//PPy-MCN和Mn02-MCN//AC-MCN两种全固态非对称超级电容器(ASC)。其中,Mn02-MCN//PPy-MCN超级电容器装置在1.8 V的电压下具有11.9F/cm3的体积电容和5.1 mWh/cm3的能量密度;Mn02-MCN//AC-MCN超级电容器装置在电压窗口为1.8 V的电压窗口下,体积电容达到9.8 F/cm3,其体积能量高达4.2mWh/cm3。研究表明,N-MCM和MCN杂化材料在三维多孔电极材料的可控构筑上具有很好的适用性和扩展性。此外,该类型的三维多孔电极材料在组装高体积比容量、高能量密度和良好的循环稳定性的非对称超级电容器方面具有非常大的应用前景。