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《武汉纺织大学》 2017年
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细菌纤维素基柔性复合电极材料的制备与性能研究

彭硕  
【摘要】:细菌纤维素(BC)是一种引人关注的、对环境友好的天然纳米纤维材料,主要是由细菌通过D-葡萄糖生产的。细菌纤维素是由一系列连续的宽度为50-80nm、厚度为3-8nm纳米纤维组成的三维多孔微型网状结构的带状物。细菌纤维素具有高纯度、高结晶度、高吸水性、优秀的机械稳定性和良好的生物亲和性等性能,其含量丰富的羟基可以通过较强的相互作用,将不同纳米结构物质(如无机和导电聚合物纳米粒子或纳米线)轻松地吸附。导电高分子(CPs)具有轻质、柔性、良好的导电性和高比容量,过渡金属氧化物/金属硫化物具有高比容量和良好的氧化还原可逆性能,已经被广泛地应用于柔性赝电容器。本论文利用细菌纤维素膜为模板,通过沉积聚吡咯和金属氧化物/硫化物在细菌纤维素上,得到柔性和高电导率的聚吡咯/金属化合物/细菌纤维素复合电极材料。主要研究内容如下:(1)利用BC膜为基底,沉积硫化镍(Ni S),并通过原位聚合的方法将聚吡咯(PPy)负载到BC上得到柔性电极材料,实验测试结果表明:当吡咯浓度为1mol/L,Fe Cl3溶液浓度为0.5mol/L时,制备的PPy/Ni S/BC柔性电极材料电导率可达5.1S/cm。在电流密度为0.8m A/cm~2时,柔性电极材料的比容量、能量密度和功率密度分别为713F/g、239.0Wh/kg和39.5W/kg。随着电流密度从0.2增大到1.6m A/cm~2对应的比容量从884减小到569F/g。Ni S的加入提高了材料的比容量,但该材料循环稳定性较差,300次循环后比容量仅保留了25%。(2)利用BC膜为基底,硫化钴(Co S)为模板,通过原位聚合的方法将PPy沉积到BC上得到柔性电极材料,实验测试结果表明:Co S的加入明显地提高了以BC为基材的电容器的比容量和循环稳定性。在电流密度为0.8m A/cm~2(0.70A/g)时,柔性电极材料的比容量614F/g,经过300次循环后,比容量相对于初始比容量依然维持62.4%。PPy/Co S/BC柔性超级电容器在功率密度为663W/kg下能量密度为54.5Wh/kg。(3)利用BC膜为基底,硫化铜(CuS)为模板,通过原位聚合的方法将PPy沉积到BC上得到PPy/CuS/BC柔性电极材料,实验测试结果表明:CuS的加入明显地提高了以BC膜为基材的电容器的比容量和循环稳定性。在电流密度为0.8m A/cm~2时,柔性电极材料的比容量580F/g,经过300次循环后比容量相对于初始比容量依然维持72%,但是PPy/BC经过300次充放电后比容量只维持了21.7%。(4)利用BC膜为基底,氧化铜(Cu O)为模板,通过原位聚合的方法将PPy沉积到BC上得到柔性电极材料,实验测试结果表明:当吡咯浓度为1mol/L,Fe Cl3溶液浓度为0.5mol/L,乙酸铜溶液的质量分数为1wt%时,制备的PPy/Cu O/BC柔性电极材料电导率可达7.4S/cm。在电流密度为0.8m A/cm~2时,柔性电极材料的比容量、能量密度和功率密度分别为601F/g、48.2Wh/kg和85.8W/kg。经过300次充放电后,比容量依然含有385F/g。Cu O纳米粒子的加入证实提高了材料的比容量,经过300次充放电后比容量保留了64.1%。
【学位授予单位】:武汉纺织大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O636.11;TM53

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