物理化學(xué)性能優(yōu)化的碳纖維復(fù)合發(fā)電材料制備

仝瑞雪(朔州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 朔州 036000)

0 引言

當(dāng)前碳纖維(CFs)復(fù)合材料在新能源鋰電池的應(yīng)用領(lǐng)域十分普遍。目前CFs的有效充放電循環(huán)容量仍需進(jìn)一步提高[1]。因此，具有比CFs更高的有效比容量和與CFs相似的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能的CFs發(fā)電復(fù)合材料已成為研究熱點(diǎn)課題之一。

方建斌等[2]成功將二硫化鎳(NiS2)與多孔碳纖維結(jié)合制備成復(fù)合材料。李曼叢等[3]利用硝酸鎳晶體和硒粉為原料，合成了在碳布上生長(zhǎng)的棒狀NiSe2-CC復(fù)合材料，該材料具有較大的比表面積的孔隙網(wǎng)絡(luò)。熊軼娜等[4]通過高溫退火去除有機(jī)物PVP,氧化四氯化硒(SnCl4)和二氯化鈷(CoCl2)得到孔隙率高，具有單軸中空結(jié)構(gòu)的四氧化三鈷/二氧化硒(Co3O4/SnO2)一維納米材料。

以上研究在材料用于鋰電負(fù)極的電化學(xué)性能等方面研究不足，為此本研究采用沸石咪唑骨架(ZIF-8)與氧化鋅(ZnO)結(jié)合成功制備復(fù)合材料并進(jìn)行物化實(shí)驗(yàn)。本研究對(duì)CFs復(fù)合發(fā)電材料的生產(chǎn)應(yīng)用提供了理論和實(shí)驗(yàn)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備與方法

1.1 主要藥品及原材料

甲醇(CH3OH)、硝酸(HNO3)、硫酸(H2SO4)，分析純，上海化工廠；硝酸鋅(Zn(NO3)2·6H2O)，99.69%，河南欣之源化工公司；二甲基咪唑(C4H6N2)，99.2%，蘇州啟航生物科技；200目聚丙烯腈基碳纖維(PAN-ACF)，微米級(jí)，廊坊金星化工。

1.2 主要設(shè)備和儀器

本實(shí)驗(yàn)所用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器如表1所示。

表1 主要設(shè)備及儀器

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

(1) X射線粉末衍射用于分析結(jié)構(gòu)[5]。

(2)掃描電子顯微鏡用來表征制備的樣品的表面形貌和粒度大小。

(3) X射線光電子能譜對(duì)樣品分子結(jié)構(gòu)和原子價(jià)態(tài)以及化合物的元素組成和含量、化學(xué)狀態(tài)進(jìn)行分析[6]。

(4)電化學(xué)性能測(cè)試分析復(fù)合材料在更寬的測(cè)試電壓范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。

1.4 材料的制備方法

CFs-ZnO復(fù)合材料是通過酸化過程、包覆過程以及熱處理三步法制備的。在包覆前，CFs需要在硝酸和硫酸體積比為1∶3的80 ℃油浴溶液中處理24 h。隨后，將100 mg預(yù)處理的CFs分散到30 mL溶解有297 mg的Zn(NO3)2·6H2O的甲醇溶液，攪拌0.5 h。隨后，將30 mL溶解有328 mg的二甲基咪唑溶液傾倒入上述溶液，以便其與吸附在CFs表面的Zn+結(jié)合形核。上述混合溶液常溫?cái)嚢? h后靜置24 h。前驅(qū)體由上述溶液靜置后取下層溶液得到，經(jīng)過甲醇溶液洗滌三次即可得CFs-ZIF-8。最終，該復(fù)合材料由CFs-ZIF-8經(jīng)過460 ℃高溫處理1.5 h后得到。同時(shí)純CFs同樣在460 ℃下高溫處理1.5 h。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 CFs-ZnO復(fù)合材料的成分分析

利用X射線衍射儀對(duì)復(fù)合電極進(jìn)行XRD結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，XRD圖譜顯示了CFs-ZnO復(fù)合材料以及CFs所有的特征峰，如圖1所示。

圖1 碳纖維以及碳纖維復(fù)合材料的XRD處理圖

從圖上可知25°附近有一個(gè)很明顯的特征峰。復(fù)合材料在35°附近的三個(gè)特征峰對(duì)應(yīng)面如圖1所示，復(fù)合材料與CFs不同的特征峰為ZnO, XRD實(shí)驗(yàn)證明了純凈的CFs以及ZnO相的存在。

為了進(jìn)一步證實(shí)復(fù)合材料的化學(xué)成分，XPS電子光譜在0～1 600 eV區(qū)域內(nèi)對(duì)材料進(jìn)行吸脫附測(cè)試。總體的電子光譜顯示了來自ZnO中鋅的峰值(Zn2p,3d)和氧的峰值(O1s)以及來自CFs中所攜帶的含氧官能團(tuán)對(duì)應(yīng)的氧峰(O1s)和碳的峰值(C1s)，如圖2所示。

圖2 CFs-ZnO復(fù)合材料光電子能譜圖

由以上的XPS實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以進(jìn)一步確定復(fù)合材料的主要組成成分。

2.2 CFs-ZnO復(fù)合材料的形貌分析

復(fù)合材料的掃描電子顯微鏡(FESEM)展示了所獲得材料的形貌如圖3所示。

圖3 CFs-ZnO復(fù)合材料的掃描電鏡圖片

圖3 (b)可以看到高溫處理后材料的形貌、結(jié)構(gòu)和尺寸均未發(fā)生較大的改變。此外，相比于ZIF-8致密的薄膜，熱處理后的ZnO顆粒之間存在孔隙是因?yàn)樘疾牧系姆纸庖约疤佳趸锏尼尫拧?/p>

2.3 CFs-ZnO復(fù)合材料的電化學(xué)性能

復(fù)合材料組成電池的循環(huán)伏安曲線(CV)的前三個(gè)充放電周期如圖4所示。

圖4 CFs和CFs-ZnO復(fù)合材料組成電池的伏安曲線

從上圖曲線中可以得出其材料的儲(chǔ)鋰機(jī)制。可以看到有氧化峰、還原峰存在，且后期循環(huán)中均穩(wěn)定可逆地存在于CV曲線中，標(biāo)志著復(fù)合材料具有良好的電化學(xué)可逆性。此外，為了更好地測(cè)試其優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能，我們?cè)陔娏髅芏葹? 800 mAg-1做了長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)。循環(huán)900次后，該材料仍然能保持在400 mAhg-1的放電容量。

3 結(jié)語

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得結(jié)論：CFs-ZnO的優(yōu)良電化學(xué)性能本質(zhì)是多孔納米結(jié)構(gòu)和CFs自身的高電導(dǎo)率，而使其具有優(yōu)異電流循環(huán)性能。本研究對(duì)CFs復(fù)合發(fā)電材料作為鋰電負(fù)極材料時(shí)，具有良好的電化學(xué)性能提供了實(shí)驗(yàn)支撐，但像材料制備方法繁瑣及材料間微觀作用力等研究不足。最后期望研究者們能開拓創(chuàng)新碳纖維復(fù)合材料在綠色發(fā)電能源領(lǐng)域應(yīng)用的研究。