物理化學性能優化的碳纖維復合發電材料制備

仝瑞雪(朔州職業技術學院，山西 朔州 036000)

0 引言

當前碳纖維(CFs)復合材料在新能源鋰電池的應用領域十分普遍。目前CFs的有效充放電循環容量仍需進一步提高[1]。因此，具有比CFs更高的有效比容量和與CFs相似的循環穩定性和倍率性能的CFs發電復合材料已成為研究熱點課題之一。

方建斌等[2]成功將二硫化鎳(NiS2)與多孔碳纖維結合制備成復合材料。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的棒狀NiSe2-CC復合材料，該材料具有較大的比表面積的孔隙網絡。熊軼娜等[4]通過高溫退火去除有機物PVP,氧化四氯化硒(SnCl4)和二氯化鈷(CoCl2)得到孔隙率高，具有單軸中空結構的四氧化三鈷/二氧化硒(Co3O4/SnO2)一維納米材料。

以上研究在材料用于鋰電負極的電化學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)結合成功制備復合材料并進行物化實驗。本研究對CFs復合發電材料的生產應用提供了理論和實驗支撐。

1 實驗材料、設備與方法

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，廊坊金星化工。

1.2 主要設備和儀器

本實驗所用的實驗設備和儀器如表1所示。

表1 主要設備及儀器

1.3 實驗方法

(1) X射線粉末衍射用于分析結構[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射線光電子能譜對樣品分子結構和原子價態以及化合物的元素組成和含量、化學狀態進行分析[6]。

(4)電化學性能測試分析復合材料在更寬的測試電壓范圍內的穩定性。

1.4 材料的制備方法

CFs-ZnO復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+結合形核。上述混合溶液常溫攪拌1 h后靜置24 h。前驅體由上述溶液靜置后取下層溶液得到，經過甲醇溶液洗滌三次即可得CFs-ZIF-8。最終，該復合材料由CFs-ZIF-8經過460 ℃高溫處理1.5 h后得到。同時純CFs同樣在460 ℃下高溫處理1.5 h。

2 實驗結果分析

2.1 CFs-ZnO復合材料的成分分析

利用X射線衍射儀對復合電極進行XRD結構實驗，XRD圖譜顯示了CFs-ZnO復合材料以及CFs所有的特征峰，如圖1所示。

圖1 碳纖維以及碳纖維復合材料的XRD處理圖

從圖上可知25°附近有一個很明顯的特征峰。復合材料在35°附近的三個特征峰對應面如圖1所示，復合材料與CFs不同的特征峰為ZnO, XRD實驗證明了純凈的CFs以及ZnO相的存在。

為了進一步證實復合材料的化學成分，XPS電子光譜在0～1 600 eV區域內對材料進行吸脫附測試。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對應的氧峰(O1s)和碳的峰值(C1s)，如圖2所示。

圖2 CFs-ZnO復合材料光電子能譜圖

由以上的XPS實驗結果，可以進一步確定復合材料的主要組成成分。

2.2 CFs-ZnO復合材料的形貌分析

復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、結構和尺寸均未發生較大的改變。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為碳材料的分解以及碳氧化物的釋放。

2.3 CFs-ZnO復合材料的電化學性能

復合材料組成電池的循環伏安曲線(CV)的前三個充放電周期如圖4所示。

圖4 CFs和CFs-ZnO復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鋰機制。可以看到有氧化峰、還原峰存在，且后期循環中均穩定可逆地存在于CV曲線中，標志著復合材料具有良好的電化學可逆性。此外，為了更好地測試其優異的循環穩定性和倍率性能，我們在電流密度為1 800 mAg-1做了長時間的循環。循環900次后，該材料仍然能保持在400 mAhg-1的放電容量。

3 結語

由實驗結果可得結論：CFs-ZnO的優良電化學性能本質是多孔納米結構和CFs自身的高電導率，而使其具有優異電流循環性能。本研究對CFs復合發電材料作為鋰電負極材料時，具有良好的電化學性能提供了實驗支撐，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新碳纖維復合材料在綠色發電能源領域應用的研究。