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柔韧多孔碳纳米纤维电极材料研究取得重要进展
发布人:曹谦芝  发布时间:2017-11-09   浏览次数:93

近期,我院丁彬研究员带领的功能纳米纤维材料研究团队在柔韧多孔碳纳米纤维材料研究方面取得了突破性的进展。他们首次将多组分静电纺丝技术与原位纳米掺杂方法相结合,成功制备了出具有优异柔韧性,高比表面积及良好电化学性能的多孔碳纳米纤维膜材料,并解释了其柔性机理。以该材料作为自支撑电极制备超级电容器具有较高的比电容和优异的循环稳定性。相关研究成果分别以“Elastic and hierarchical porous carbon nanofibrous membranes incorporated with NiFe2O4nanocrystals for highly efficient capacitive energy storage”“Polybenzoxazine-based highly porous carbon nanofibrous membranes hybridized by tin oxides nanoclusters: durable mechanical elasticity and capacitive performance”为题发表在国际纳米和能源材料领域知名学术期刊《Nanoscale》(Nanoscale2016, 8, 2195.)和《Journal of Materials Chemistry A》(J. Mater. Chem. A2016, 4, 7795.)上。

柔性碳纳米纤维制备示意图和应用性能展示

近年来,柔性超级电容器作为一种新兴的储能器件,以其轻薄、可弯曲、可折叠等优良特性,成为柔性可穿戴储能器件研究的重要发展趋势。碳纳米纤维材料因具有孔隙率高、比表面积大、导电性好等特性,在超级电容器电极材料领域表现出巨大的应用潜力,已成为超级电容器电极材料研究的热点。然而,目前碳纳米纤维材料普遍存在脆性大、易断裂、力学性能差的问题,极大的限制了其在柔性超级电容器领域的实际应用。如何同步提升其柔韧性和电化学性能是实现超级电容器柔性化设计的重点和难点。

为此,该团队首次采用多组分共混纺丝技术,在前驱体纤维中引入功能性有机/无机盐组分,通过其在高温碳化过程中的催化诱导作用促进碳微晶结构有序化,提高了碳基体的石墨化程度;并通过控制其原位生成的金属氧化物纳米粒子尺寸,使其形成增塑效应,有效提升了碳纳米纤维的柔韧性,所得纤维膜材料可达到纸巾的柔软度。此外,该类材料比表面积最高可达1415m2g-1具有较好的电化学性能,其比电容最高为343F/g,且经循环充放电10000次后,比电容仍可保持初始值的97%。更引人注意的是,由该材料制备的柔性电极在经受1000次弯折后,仍可保持其94.6%的初始比电容,表明其具有优异的机械稳定性能。该类柔韧碳纳米纤维材料未来将有望在柔性超级储能器件、可穿戴电子设备等领域得到广泛应用。

该项研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校基础研究基金,真实赌钱游戏平台网站励志计划的大力资助。


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