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CNFs-CNTs-二氧化锰复合柔性电极材料的制备及其性能研究
1 论文选题的目的意义
超级电容器是一种介于电池和平板电容器之间的新型储能装置，具有质量轻、充电速度快、使用寿命长、安全性能好等优异性能。超级电容器的储能性能与使用的电极材料密切相关，具有纳米级微观结构的材料由于具有更高的比表面积和更大的比电容特性在超级电容器电极材料中有着重要应用。纤维素纳米纤维（CNFs）具有较高的长径比（超过250），极小的直径（大约3~4 nm）和较高的机械强度（弹性模量140-150 Gpa）[1]。碳纳米管（CNTs）作为一维结构的纳米碳材料，具有超高弹性模量（可达1.8 TPa）、化学稳定性好、密度低、比表面积大和电导率高等优异特性[2]。二氧化锰（MnO2）作为一种金属氧化物赝电容材料具有合成简单、化学性能稳定和电学活性优异的特点[3]。本实验利用CNFs为基体，CNTs为纳米导电填料，以CNF-CNT为模板，通过原位氧化聚合制备CNF-CNT-MnO2“核-壳”结构复合物气凝胶电极材料。其中CNFs赋予气凝胶良好的柔韧性，并作为分散剂搭载CNTs在水中分散，由于CNTs的高导电性和MnO2的赝电容效应，两者结合后形成增益效果使复合物拥有良好的充放电循环稳定性和较高的比电容。对复合物化学结合、微观形貌、比表面积、电导率和电化学性能进行表征，探讨不同MnO2含量对复合气凝胶电极性能的影响并分析其机理，制备出的柔性导电复合物气凝胶材料可以用于超级电容器电极。
2 国内外研究进程
2.1纳米纤维素
CNFs是指采用物理或化学的方法从天然植物纤维中分离出来的具有纳米径级的纤维，由于比表面积大，力学性能优异，热稳定性良好，可自组装以及可降解和生物相容等特点[1]，因此在食品包装、生物及医药材料、能源材料与电子设备等领域显示出广阔的应用前景[4-5]。同时，研究也显示CNFs可以作为碳纳米材料的分散剂，并具有良好的分散效果。对CNFs改性后用作吸附剂是另类创新性的研究，当在CNFs上进行琥珀酸酐改性后，能形成有效的、稳定的和可再循环的改性吸附剂研究完全生物基和生物可降解系统，“绿色生物材料”这一概念正是基于聚合物基质和填料都是生物可降解材料而提出的。CNFs材料巨大的表面积使其广泛应用于污水处理领域，其丰富的表面羟基可以吸附水中的重金属离子，且可通过接枝共聚等改性赋予其更。
2.2碳纳米管
碳纳米管（CNTs）具有良好的导电性、规则的一维管状结构、低密度、优异的力学性能及比表面积大等优点，因此被广泛用于制备高性能的电子储能材[6]。然而，CNTs具有较高的疏水性，使其具有沿着轴向聚集成束的聚集态特点，在极性溶剂中很难均匀分散，从而导致其电学性能不能被充分利用[7-8]。为了提高CNTs的分散性能，通常采用添加表面活性剂或强酸、强碱改性等方法，并具有良好的效果，但这些化学改性方法容易导致CNTs的结构发生改变，使导电性在一定程度上被降低[9]。因此，通过物理方法提高 CNTs的分散性尤为重要。
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