聚丙烯腈基活性炭纖維在超級電容中的應(yīng)用目錄TOC\o"1-3"\h\u23717聚丙烯腈基活性炭纖維在超級電容中的應(yīng)用研究 18231.1聚丙烯腈基活性炭纖維的制備流程 115421.1.1聚丙烯腈基活性炭纖維的制備 1214941.1.2聚丙烯腈纖維預(yù)氧化 2310341.1.3聚丙烯腈基纖維碳化 3260211.2聚丙烯腈基活性炭纖維的電學(xué)特性 4121481.2.1聚丙烯腈基活性炭纖維循環(huán)伏安測試 4311741.2.2聚丙烯腈基活性炭纖維交流阻抗測試 5制備活性炭纖維的原料有多種,不同原料制得的活性炭纖維有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。其中聚丙烯腈基炭纖維具有較高的強(qiáng)度?；钚蕴坷w維因?yàn)楸砻娴奈⒖追植?，增大了比表面積，有一定的吸附作用。聚丙烯腈基活性炭纖維含有氮元素,所以對含氮有機(jī)物具有吸附性[19]。1.1聚丙烯腈基活性炭纖維的制備流程圖3-1聚丙烯腈基活性炭纖維制備流程[4]1.1.1聚丙烯腈基活性炭纖維的制備李博弘等人[5]將一定量的聚丙烯腈，N,N-二甲基甲酰胺和改性物質(zhì)（聚乙二醇）混合攪拌攪拌7d后得到紡絲液。用注射器抽取一定量的紡絲液，在距離毛細(xì)針管處20cm的位置放置接收屏，在針管處加上高壓電源輸出電壓20kv,推動(dòng)注射泵，經(jīng)過毛細(xì)管后由于靜電作用拉伸排斥形成纖維。圖3-2聚丙烯腈基纖維紡絲裝置示意圖[4]1.1.2聚丙烯腈纖維預(yù)氧化將所得纖維放入干燥箱中，利用鼓入空氣對纖維進(jìn)行預(yù)氧化。其中預(yù)氧化有兩種方法，分別是恒溫預(yù)氧化和階段升溫預(yù)氧化。李博弘[5]通過實(shí)驗(yàn)分組對比對聚丙烯腈纖維預(yù)氧化的兩種方法進(jìn)行了比較，表3-1和表3-2分別是兩組實(shí)驗(yàn)具體的制備條件。表3-1恒溫預(yù)氧化組[4]表3-2階段升溫預(yù)氧化組[4]環(huán)化程度是聚丙烯腈基纖維預(yù)氧化[5]的重要標(biāo)志，通常用AI[20]（芳構(gòu)化指數(shù)）來判斷。當(dāng)AI值小于0.5時(shí)，表示該纖維不能進(jìn)行下一步碳化；當(dāng)AI值在0.5-0.6間時(shí)，聚丙烯腈纖維已有約50%以上達(dá)到環(huán)化結(jié)構(gòu)；當(dāng)AI值大于0.6時(shí)，分子鏈裂解程度太大，預(yù)氧化過度。表3-3是恒溫預(yù)氧化組的AI值和質(zhì)量殘留數(shù)據(jù)，從中能夠看出，隨著溫度的提高，恒溫組的AI值也隨之增大，同時(shí)質(zhì)量殘留率也逐漸減少，其中A4組的AI值在0.5-0.6的區(qū)間內(nèi)，是環(huán)化程度最好的一組。表3-3恒溫預(yù)氧化組AI值和質(zhì)量殘留[4]表3-4階段升溫預(yù)氧化組AI值和質(zhì)量殘留[4]表3-4是階段升溫預(yù)氧化組的AI值和質(zhì)量殘留數(shù)據(jù)，從中可以看出隨著階段性升溫的幅度增大時(shí)，AI值越來越大，質(zhì)量殘留率越來越小。表4中B1組，B2組在AI值區(qū)間0.5-0.6之間，我們能夠得到結(jié)論：聚丙烯腈基纖維的預(yù)氧化受溫度變化影響，當(dāng)溫度恒定或變化平緩時(shí)，聚丙烯腈基纖維預(yù)氧化效果越好。1.1.3聚丙烯腈基纖維碳化將1.1.2所得的聚丙烯腈基預(yù)氧化纖維放入碳化裝置，在惰性氣體氛圍中（防止聚丙烯腈基纖維在碳化過程中燃燒[4]），將溫度升至600-900℃，3h后得到聚丙烯腈基活性炭纖維。劉瑩等人[4]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)碳化過程的溫度對聚丙烯腈基活性炭纖維的吸附性能有影響。如表3-5所示，碳化溫度為700℃時(shí)，吸附量最高，這是因?yàn)樘蓟瘻囟冗^低時(shí)，分子與分子間未能脫水，脫氫形成碳結(jié)構(gòu)，溫度過高時(shí)，N元素隨可揮發(fā)性氣體逸出，降低了聚丙烯腈活性炭纖維的吸附性。表3-5碳化溫度對聚丙烯腈基活性炭纖維的影響[4]1.2聚丙烯腈基活性炭纖維的電學(xué)特性1.2.1聚丙烯腈基活性炭纖維循環(huán)伏安測試圖3-3CHI電化學(xué)循環(huán)伏安測試裝置[4]測試采用三電極體系[5]，將聚丙烯腈基活性炭纖維作為工作電極，鉑電極為輔助電極，氧化汞電極為參比電極，如圖3-3CHI電化學(xué)循環(huán)伏安測試裝置所示。圖3-4聚丙烯腈基活性炭纖維(負(fù)極)循環(huán)伏安曲線[4]圖3-4聚丙烯腈基活性炭纖維循環(huán)伏安曲線與酚醛基活性炭纖維循環(huán)伏安曲線類似，都表現(xiàn)出雙電層特性，由圖可以看出在溫度900℃時(shí)，聚丙烯腈基活性炭纖維作為電極（負(fù)極）時(shí)，電容值最高。圖3-5聚丙烯腈基活性炭纖維（正極）循環(huán)伏安曲線[4]圖3-5所示聚丙烯腈基活性炭纖維（正極）循環(huán)伏安曲線有氧化還原特征峰，表現(xiàn)出典型的贗電容特性[5]。1.2.2聚丙烯腈基活性炭纖維交流阻抗測試將聚丙烯腈活性炭纖維作為正負(fù)電極，兩電極片夾鎳氫電池隔膜[5]組成超級電容器。如圖3-6所示為超級電容器的組裝方法。李博弘等人[5]使用電池程控測試儀對其進(jìn)行交流阻抗測試，在電解液6mol/L氫氧化鉀溶液中測得聚丙烯腈基活性炭纖維的交流阻抗