物理化学性能优化的碳纤维复合发电材料制备

仝瑞雪(朔州职业技术学院，山西 朔州 036000)

0 引言

当前碳纤维(CFs)复合材料在新能源锂电池的应用领域十分普遍。目前CFs的有效充放电循环容量仍需进一步提高[1]。因此，具有比CFs更高的有效比容量和与CFs相似的循环稳定性和倍率性能的CFs发电复合材料已成为研究热点课题之一。

方建斌等[2]成功将二硫化镍(NiS2)与多孔碳纤维结合制备成复合材料。李曼丛等[3]利用硝酸镍晶体和硒粉为原料，合成了在碳布上生长的棒状NiSe2-CC复合材料，该材料具有较大的比表面积的孔隙网络。熊轶娜等[4]通过高温退火去除有机物PVP,氧化四氯化硒(SnCl4)和二氯化钴(CoCl2)得到孔隙率高，具有单轴中空结构的四氧化三钴/二氧化硒(Co3O4/SnO2)一维纳米材料。

以上研究在材料用于锂电负极的电化学性能等方面研究不足，为此本研究采用沸石咪唑骨架(ZIF-8)与氧化锌(ZnO)结合成功制备复合材料并进行物化实验。本研究对CFs复合发电材料的生产应用提供了理论和实验支撑。

1 实验材料、设备与方法

1.1 主要药品及原材料

甲醇(CH3OH)、硝酸(HNO3)、硫酸(H2SO4)，分析纯，上海化工厂；硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)，99.69%，河南欣之源化工公司；二甲基咪唑(C4H6N2)，99.2%，苏州启航生物科技；200目聚丙烯腈基碳纤维(PAN-ACF)，微米级，廊坊金星化工。

1.2 主要设备和仪器

本实验所用的实验设备和仪器如表1所示。

表1 主要设备及仪器

1.3 实验方法

(1) X射线粉末衍射用于分析结构[5]。

(2)扫描电子显微镜用来表征制备的样品的表面形貌和粒度大小。

(3) X射线光电子能谱对样品分子结构和原子价态以及化合物的元素组成和含量、化学状态进行分析[6]。

(4)电化学性能测试分析复合材料在更宽的测试电压范围内的稳定性。

1.4 材料的制备方法

CFs-ZnO复合材料是通过酸化过程、包覆过程以及热处理三步法制备的。在包覆前，CFs需要在硝酸和硫酸体积比为1∶3的80 ℃油浴溶液中处理24 h。随后，将100 mg预处理的CFs分散到30 mL溶解有297 mg的Zn(NO3)2·6H2O的甲醇溶液，搅拌0.5 h。随后，将30 mL溶解有328 mg的二甲基咪唑溶液倾倒入上述溶液，以便其与吸附在CFs表面的Zn+结合形核。上述混合溶液常温搅拌1 h后静置24 h。前驱体由上述溶液静置后取下层溶液得到，经过甲醇溶液洗涤三次即可得CFs-ZIF-8。最终，该复合材料由CFs-ZIF-8经过460 ℃高温处理1.5 h后得到。同时纯CFs同样在460 ℃下高温处理1.5 h。

2 实验结果分析

2.1 CFs-ZnO复合材料的成分分析

利用X射线衍射仪对复合电极进行XRD结构实验，XRD图谱显示了CFs-ZnO复合材料以及CFs所有的特征峰，如图1所示。

图1 碳纤维以及碳纤维复合材料的XRD处理图

从图上可知25°附近有一个很明显的特征峰。复合材料在35°附近的三个特征峰对应面如图1所示，复合材料与CFs不同的特征峰为ZnO, XRD实验证明了纯净的CFs以及ZnO相的存在。

为了进一步证实复合材料的化学成分，XPS电子光谱在0～1 600 eV区域内对材料进行吸脱附测试。总体的电子光谱显示了来自ZnO中锌的峰值(Zn2p,3d)和氧的峰值(O1s)以及来自CFs中所携带的含氧官能团对应的氧峰(O1s)和碳的峰值(C1s)，如图2所示。

图2 CFs-ZnO复合材料光电子能谱图

由以上的XPS实验结果，可以进一步确定复合材料的主要组成成分。

2.2 CFs-ZnO复合材料的形貌分析

复合材料的扫描电子显微镜(FESEM)展示了所获得材料的形貌如图3所示。

图3 CFs-ZnO复合材料的扫描电镜图片

图3 (b)可以看到高温处理后材料的形貌、结构和尺寸均未发生较大的改变。此外，相比于ZIF-8致密的薄膜，热处理后的ZnO颗粒之间存在孔隙是因为碳材料的分解以及碳氧化物的释放。

2.3 CFs-ZnO复合材料的电化学性能

复合材料组成电池的循环伏安曲线(CV)的前三个充放电周期如图4所示。

图4 CFs和CFs-ZnO复合材料组成电池的伏安曲线

从上图曲线中可以得出其材料的储锂机制。可以看到有氧化峰、还原峰存在，且后期循环中均稳定可逆地存在于CV曲线中，标志着复合材料具有良好的电化学可逆性。此外，为了更好地测试其优异的循环稳定性和倍率性能，我们在电流密度为1 800 mAg-1做了长时间的循环。循环900次后，该材料仍然能保持在400 mAhg-1的放电容量。

3 结语

由实验结果可得结论：CFs-ZnO的优良电化学性能本质是多孔纳米结构和CFs自身的高电导率，而使其具有优异电流循环性能。本研究对CFs复合发电材料作为锂电负极材料时，具有良好的电化学性能提供了实验支撑，但像材料制备方法繁琐及材料间微观作用力等研究不足。最后期望研究者们能开拓创新碳纤维复合材料在绿色发电能源领域应用的研究。