Energies：用于電池的不同金屬氧化物修飾碳納米纖維的制備

DOI: 10.3390/en14051353

采用雙組分聚合物混合物靜電紡絲技術、溶膠-凝膠反應以及隨后的碳化處理制備了由不同金屬氧化物納米粒子修飾的碳納米纖維。由于聚丙烯腈（PAN）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的不混溶性，通過相分離制備了具有可控直徑的PAN/PVP核/殼型電紡聚合物納米纖維。以電紡納米纖維作為含PVP結合位點的支撐材料，從而引入氧化鈦前驅體。隨后，纖維的碳化導致形成了碳納米纖維@TiO2，其中金紅石型TiO2納米顆粒修飾在碳納米纖維的表面上。這種修飾有TiO2的碳納米纖維電極在鋰離子電池中表現出優異的電化學性能（在5C下循環100次的放電容量約為600 mAh g-1）。此外，通過相似的方式可以制備出由其他金屬氧化物（NiO、SnO2和ZrO2納米顆粒）修飾的碳納米纖維。

圖1.不同金屬氧化物納米粒子修飾碳納米纖維的制備方案。

圖2.聚丙烯腈（PAN）/聚乙烯吡咯烷酮（PVP）雙組分納米纖維的SEM圖像：（a）水萃取之前和之后（b），以及（c）熱解碳納米纖維。

圖3.含TiO2的碳納米纖維的形態：（a）TiO2納米粒子修飾碳納米纖維的SEM圖像和（b）TEM圖像（含0.1mL/mL TiO2前體溶液的10wt％PAN/PVP）。（c）EDS線掃描輪廓顯示出C、O和Ti的空間位置。

圖4.所制備的納米纖維的表征。（a）PAN/PVP（黑色），PAN/PVP@TiBu（紅色）和TiO2修飾碳納米纖維（藍色）的XRD圖和（b）拉曼光譜。

圖5.在以下條件下制備的具有不同直徑和數量的CNF@TiO2的SEM圖像：（a）含0.1mL/mL TiO2前體溶液的15wt％PAN/PVP，（b）含0.1mL/mL TiO2前體溶液的20wt％PAN/PVP，以及（c）含0.5mL/mL TiO2前體溶液的10wt％PAN/PVP。

圖6.具有不同含量TiO2的CNF@TiO2的TGA曲線：（a）65％（紅色），（b）30％（黑色），（c）20％（藍色）和（d）5％（品紅色）。

圖7.不同含量TiO2修飾碳納米纖維電極的電化學性能。（a）獨立式CNF@TiO2電極的照片。在0.01-3.0V范圍內，（b）20wt％TiO2修飾碳納米纖維電極和（c）30wt％TiO2修飾碳納米纖維電極在2C下的循環性能。

圖8.含不同金屬氧化物納米粒子的碳納米纖維的SEM圖像和相應的XRD圖：（a，b）ZrO2，（c，d）SnO2和（e，f）NiO。