基于不同羧基含量纳米纤维素的C/Fe3O4复合气凝胶结构与性能研究开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

随着人类生活水平的提高,能源问题越来越得到人们的重视,不可再生能源的消耗殆尽,环境问题的严重恶化,使人们对于节约能源,保护环境的观念越来越强,因此研发出新型高效可持续的能源供应体系成为科研领域的重中之重[1,2]。锂离子电池(lib)由于具有高比容量,良好的循环性能和环保性,已成为移动电话,笔记本电脑和电动汽车等许多领域中最重要的储能设备之一[3,4]。纳米材料的出现给lib带来了新的生机。已经表明,尺寸是改善电池性能的关键因素,并且在临界尺寸以下不会发生颗粒的破裂[5]。纳米过渡金属氧化物(tmos),如fe2o3和fe3o4,由于其理论比容量高,被认为是潜在的负极材料。遗憾的是,低电导率和严重的体积变化经常导致严重的电化学团聚,粉化和活性材料从集电器剥落,所以材料容量差,速率性能差,因此需要对氧化铁负极材料进行适当改性,以满足对锂离子电极材料的需求。

碳材料具有各种存在形式以及丰富的维度,在电化学领域特别是能量的储存方面具有十分广阔的应用前景,引起了各国研究人员的广泛关注。多孔碳材料因其具有可调控的微观组织结构、表面易功能化、高导电性、高导热性和不同的形态等优点,加上环保及成本低廉[6,7],使得其在作为电池材料方面有着巨大优势,已经成功用于负极材料。然而,低理论容量(372mahg-1),副反应,速率性能差,初始库仑效率低和循环稳定性差限制了它们在lib中的进一步发展应用[8]。增加碳电极材料电容的常用方法主要是制备小孔径高比表面积的碳材料,特别是近年来多孔碳中高度有序的介孔碳(omcs)。有序介孔碳具有有序规则的孔道结构、在介孔尺度内可控的孔径、较大的比表面积与孔隙率、较好的热稳定性与化学稳定性、较低电子转移电阻、较大的吸附能力、较好的化学惰性,在催化、吸附、分离、电极材料、医药载体、主客体化学等多领域有着广泛的应用前景[9],但单一的介孔碳材料能量密度低、电化学性能差,为了改善这个缺点,研究人员试图利用多种组分共修饰介孔碳以获得更高的电化学活性及其他性能,碳基tmos与原始fe3o4材料相比,固定在石墨烯表面上,经碳涂覆的fe3o4纳米颗粒在100次循环后显示出870.4mahg-1shy;的高比容量[10]。用碳涂层来制造核/壳结构,这种结构中的外碳壳不仅可以减少sei(固体电解质)的形成,还可以促进电子传输[11]。另外,与锂化/脱锂相关的张力也可以在一定程度上得到缓解。因此,制备了一系列碳涂层磁体材料,如纳米球,纳米棒,纳米线,纳米薄片和纳米粒子[12]。例如,jung及其同事[13]通过共沉淀法制备fe3o4 /碳微球,该材料在1c下显示出500mahg-1的高可逆容量,即使在300次循环后也具有99%优异的库仑效率。

纤维素在自然界含量丰富[14],以纤维素作为碳源,通过tempo(2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基)介导[15],在水中氧化和连续轻微崩解,可以将天然木质纤维素转化为3-4nm宽的单个纳米纤维,其长度至少为几微米,即纵横比gt; 100。tocn薄膜透明且柔韧,具有200-300mpa的高拉伸强度和6-7gpa的弹性模量。此外,tocn涂覆的聚(乳酸)膜具有极低的透氧性。通过tempo介导的氧化法将天然纤维素纤维的尺寸减小,形成的新型纤维素基纳米纤维在高科技领域具有作为环境友好和新型生物基纳米材料的潜在应用。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备:采用氧化纳米纤维素与fe(no3)3复合,经乙醇、叔丁醇置换及冷冻干燥以后得到tocn-fe3 气凝胶,并经碳热还原进一步制备出fe3o4/c气凝胶。

材料表征:对fe3o4/c气凝胶进行结构表征和电化学性能测试,通过xrd、n2吸/脱附、tem、sem、xps、红外等表征手段对其形貌结构及元素构成进行了分析,并采用循环伏安(cv)、恒流充放电(et)等电化学测试技术对其电化学性能进行系统评估。

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3. 研究计划与安排

第1-2周:查阅相关文献资料,完成英文翻译。明确研究内容,了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案,并完成开题报告。

第3-7周:按照设计方案,制备铁氧化物修饰介孔碳复合材料。

第8-12周:采用xrd、fe-sem、tg-dsc、cv等测试技术对复合材料的物相、显微结构、电化学性能进行测试。

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4. 参考文献(12篇以上)


[1] qunying liang, hong su, jing yan. n-doped mesoporous carbon as abifunctional material for oxygen reduction reaction and supercapacitors [j].chinese journal of catalysis, 2014, 35: 1078–1083.

[2] h. tian, h. liu, t. y. yang, j. p. veder, g. x. wang, m.hu, s. b. wang, m. jaroniec, j. liu, mater. chem. front. 2017, 1, 823–830.

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