通過空氣等離子體在電紡木質素基碳納米纖維膜上快速進行氧氮共官能化以進行儲能應用

DOI:10.1016/j.ijbiomac.2019.11.237

傳統的碳納米纖維（CNF）中引入雜原子的熱后改性方法普遍存在制備成本高、需要額外化學試劑等缺點。在此基礎上，提出了一種基于空氣等離子體技術的木質素基碳納米纖維（LCNF）中引入氧/氮的方法。空氣等離子體產生的大量自由基（N，O₂⁺，O⁺，O₂^-，O^-）使等離子體修飾的LCNF（P-LCNF）中的氧（15.24 wt.%）和氮（11.48 wt.%）含量較高。此外，空氣等離子體還導致P-LCNF表面粗糙。利用氧氮共摻雜和粗糙表面的協同作用，P-LCNF的水接觸角降低了64%。在6.0mol/L的KOH電解液中，P-LCNF電極具有優良的比電容（1.0A/g時為344.6F/g）、良好的倍率性能（68.5%的電容保持率）、較低的內阻（0.34Ω）以及2000次循環后102.4%的電容保持率。

圖1. DBD空氣等離子體改性制備氧氮共摻雜LCNF的工藝流程示意圖。

圖2. LCNF和P-LCNFs的FE-SEM圖像（插圖是高倍放大圖像）（a）和XRD光譜（b）；LCNF和P-LCNF-5的拉曼光譜（c，d）；LCNF和P-LCNFs的N₂吸附-解吸等溫線（e）和孔徑分布（f）。

圖3. LCNF和P-LCNFs的XPS光譜（a）；LCNF和P-LCNF-5的C1s峰（b，c）和N1s峰（d，e）的高分辨率XPS；LCNF和P-LCNFs的水接觸角（插圖為光學接觸角圖）（f）；DBD空氣等離子體的OES光譜（g）；LCNF表面上DBD空氣等離子體改性的示意圖（h）。

圖4. 掃描速率為5 mV/s的CV曲線（a）；GCD在1.0 A/g的電流密度下彎曲（b）; 奈奎斯特曲線。（插圖為放大的細節）（c）；電流密度的比電容為0.5至10 A/g（d）；電流密度為10 A/g時的循環性能（e）。