论文部分内容阅读
由于碳纳米纤维（CNFs）具有高导电和导热、高比强度、化学稳定性及其易于表面官能化等优点，因此，逐渐成为复合材料研究的热点。碳纤维复合材料已在催化剂和催化剂载体、锂离子二次电池、光电化学电池和传感器等领域获得了广泛的应用。本论文采用静电纺丝技术和溶剂热方法制备多种碳纳米纤维/金属氧化物功能复合材料，并探究了这些功能复合材料在光催化和超级电容器领域的应用性能，取得的创新性成果如下：1．通过静电纺丝技术和水热方法成功获得了具有一维结构的高催化活性ZnO-CNFs异质结光催化剂，样品通过FE-SEM，EDX，TEM，XRD，XPS和IR光谱测试说明ZnO纳米粒子成功分散生长在CNFs上，通过改变水热过程中醋酸锌和CNFs的比例，可以很好地控制生长在CNFs上ZnO纳米粒子的覆盖密度。由于在ZnO和CNFs间形成的异质结促进了电子和空穴的分离，因此ZnO-CNFs异质结光催化剂在对罗丹明B降解测试中显示了较高的催化活性。另外，ZnO-CNFs异质结光催化剂由于其具有一维特性，因而可以很容易地实现回收再利用，而且其重复利用后光催化效果无明显减弱。2.为了充分利用太阳光对污水进行处理，我们对窄带隙In2O3光催化剂进行了改性。首次结合静电纺丝技术和溶剂热方法制备了In2O3/CNFs异质结可见光催化剂。在可见光照下，与纯In2O3对比显示，In2O3/CNFs异质结光催化剂在降解罗丹明B方面显示出了更高的催化效果，良好的催化效果是由于在In2O3和CNFs间形成了异质结，这个异质结的存在，加速了光生电子和空穴分离。另外，由于一维纳米纤维特有的性质使得In2O3/CNFs异质结可见光催化剂在提高其催化效果的同时提高了其回收循环利用的性能。同时，我们还发现，通过改变添加剂如CO（NH2）2和水的量便可以实现对纳米In2O3的形貌的控制，如纳米立方体，纳米簇和纳米粒子，并对纳米结构的In2O3形成机理进行了讨论。3.通过静电纺丝技术和水热方法制备了SnO2/CNFs异质结。结果表明，SnO2纳米粒子成功负载在CNFs表面上，通过对水热过程中CNFs和SnCl4.5H2O的质量比可以控制SnO2在CNFs表面上的覆盖度。对该材料在超级电容器电极材料方面的电化学性能进行了测试。用1M H2SO4溶液作为电解液，对材料进行循环伏安和恒流充放电测试表明，在不同扫描速率下，各样品均显示良好的电容性能。在20mV/s扫速下，样品CS2（CNFs和SnCl4.5H2O的质量比为1:7）拥有最高的电容量187F/g,而且经过1000次循环后，其电容量仍然保持在95%以上。良好的电化学性能可能是由于SnO2/CNFs异质结材料低高电导率以及电解液可以快速传输到SnO2表面的原因。4利用静电纺丝技术和溶剂热过程，首次成功地在CNFs表面上合成了高分散的Fe3O4纳米片层。将Fe3O4/CNFs复合材料制成超级电容器电极，并采用采用循环伏安和恒流充放电测试其电化学性能。结果显示，在不同扫描速率下，该材料呈现良好的电容性能。同纯Fe3O4相比（83F/g），Fe3O4/CNFs复合材料具有更高的比容量（135F/g）。经过一千次循环使用后，Fe3O4/CNFs复合材料的电容量仍可达到91%。较高的电容性能是由于在Fe3O4/CNFs复合材料中高电导率的一维CNFs降低了Fe3O4的电阻。另外，在CNFs表面上高分散和高比表面积的Fe3O4纳米片层提高了Fe3O4的利用率。最后，我们还讨论了纳米片层状Fe3O4在CNFs表面上的形成机理。