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纳米材料以其独特的性质,在实现材料的功能化与提高器件的性能等众多方面有着广泛的应用。静电纺丝技术制备一维纳米材料是一种非常简单、高效和廉价的方法,近十年来受到科研工作者的高度重视。
本文利用静电纺丝技术制备出高性能的超级电容器和锂硫电池的电极材料,首次成功地将静电纺丝法制备的纳米纤维用于图案化石墨烯,并制备出高性能的透明导电电极。研究内容主要包括以下四个部分:
1、采用静电纺丝技术制备出了多管道碳纳米纤维,同时研究了溶液浓度、溶液成分、和炭化温度等实验参数对产物形貌与结构的影响。
2、利用多管道碳纳米纤维形成的自支撑的碳纳米纤维膜组装出无需粘结剂的超级电容器。由于纺丝组分之一PMMA残炭率较低,炭化后不仅能使纺丝纤维形成多层次纳米管道结构,同时PMMA的加入也有助于调控材料表面官能团的含量。这种多层次管道结构有利于提高孔隙的利用率,缩短离子扩散距离,因而显著提高其作为电容器电极材料的综合性能。在最优的条件下组装的超级电容器在10 A/g的电流密度下经10000次循环之后比电容可维持在357 F/g。
3、利用静电纺丝法制备的多管道碳纳米纤维负载硫,制备出锂硫电池的阳极材料。并对其性能进行了研究,实验表明多管道碳纳米纤维能有效地将硫固定在材料内,阻止充放电过程中形成的多硫化物溶解;同时,管道结构的存在不仅大幅度缩短了锂离子的扩散距离,而且提供了合适的空间以容纳充放电后材料体积的膨胀,使得这种复合材料在电流密度为1C的条件下仍能与集流体接触良好,保持较高的容量。当电极材料中的硫含量为60%时,在电流密度为1C的条件下循环100次之后,锂硫电池比容量为787 mAh/g。
4、利用静电纺丝技术制备的纺丝纤维作为等离子刻蚀的掩模板,开发出一种简单、高效、廉价的方法来制备石墨烯纳米带,这些纳米带之间相互交错连接构成导电网络。采用这种方法对较厚的还原氧化石墨烯膜进行图案化刻蚀制备大面积的透明导电薄膜,得到透光率为90%,方块电阻为1.6KΩ/(□)的透明导电电极;这种电极在电致变色器件中表现出良好的性能。