電紡生物質基碳納米纖維作為高性能超級電容器

DOI:10.1016/j.indcrop.2020.112181

純生物質基納米碳纖維（CNFs）的形態崩潰是由于纖維素的熱穩定性差造成的。受大自然的啟發，纖維素和木質素在樹木中通過共價鍵連接，使木材具有延展性和穩定性。在本研究中，研究者提出一個有效的策略來模擬這種生物結構，以制備生物質基CNFs。利用環氧氯丙烷（ECH）在木質素和醋酸纖維素（CA）之間形成共價鍵，作為一種新型前驅體材料。隨著共價鍵的引入，前驅體材料不僅表現出纖維素的可紡性，而且還具有木質素的熱穩定性。碳化后，制備出了純生物質基CNFs，該材料具有獨立的纖維形態、均勻的直徑、較大的比表面積和儲能容量等。以10%ECH含量的CNFs-6為超級電容器，得到了320.3 F/g的比電容。同時，生物質基CNFs超級電容器裝置在功率密度為400 W/kg時，可提供30.2 Wh/kg的高能量密度。結果表明，引入共價鍵能有效地顯著提高儲能性能。這一新穎策略為制備高質量、低成本的生物質基CNFs提供了一條成功的途徑。

圖1.（a）添加不同量ECH制備的PNFs的GPC色譜圖，PNFs和SNFs的FT-IR光譜。

圖2.（a）添加不同量ECH制備的PNFs和（b）SNFs的DSC曲線，（c）SNFs的TGA曲線。

圖3.添加不同量ECH制備的前驅體納米纖維的SEM圖像，（a）PNFs-1（ECH/CA+木質素質量比：0/100），（b）PNFs-2（ECH/CA+木質素質量比：2/100），（c）PNFs-3（ECH/CA+木質素質量比：4/100），（d）PNFs-4（ECH/CA+木質素質量比：6/100），（e） PNFs-5（ECH/CA+木質素質量比8/100），（f）PNFs-6（ECH/CA+木質素質量比10/100）。

圖4.不同條件下制備的碳納米纖維的掃描電鏡圖像，（a）CNFs-1（ECH/CA+木質素質量比：0/100），（b）CNFs-2（ECH/CA+木質素質量比：2/100），（c）CNFs-3（ECH/CA+木質素質量比：4/100），（d）CNFs-4（ECH/CA+木質素質量比：6/100），（e） CNFs-5（ECH/CA+木質素質量比8/100），（f）CNFs-6（ECH/CA+木質素質量比10/100）。

圖5.（a）CNFs的吸附容量，（b）XRD圖譜，（c）拉曼光譜。

圖6.（a）掃描速度為10 mV/s時CNFs的CV曲線，（b）電流密度為1 A/g時CNFs的GCD曲線，（c）添加不同量ECH的CNFs的EIS曲線。

圖7.用1 mol/L Na2SO4在雙電極體系中測定CNFs-6的電化學性質。（a）在不同工作電壓下電極在100 mV/s下的CV曲線和（b）1 A/g時的GCD曲線，（c）在5到200 mV/s的不同掃描速度下的CV曲線，（d）在0.5到5 A/g的不同電流密度下的GCD曲線，（e）在不同電流密度下的重力電容，（f）基于CNFs-6超級電容的Ragone圖。