基于聚丙烯腈/苯并噁嗪的柔性碳纳米纤维薄膜的制备及其电化学性能研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2021.02.006

中国塑料 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (2): 34-40.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2021.02.006

基于聚丙烯腈/苯并噁嗪的柔性碳纳米纤维薄膜的制备及其电化学性能研究

刘渊, 聂胜强, 张春梅, 王壹, 谢向宇, 罗军()

贵州省材料磨损与腐蚀防护工程研究中心，贵阳学院，贵阳 550005

收稿日期:2020-07-10 出版日期:2021-02-26 发布日期:2021-02-22
基金资助:
贵州省自然科学基金(黔科合基础[2018]1008);贵阳市财政支持贵阳学院学科建设与研究生教育项目(HC-2020);贵州省教育厅青年科技人才成长项目(黔教合KY字[2018]300);贵州省普通高等学校科技拔尖人才项目(黔教合KY字[2020]036)

Research on Preparation and Electrochemical Properties of Flexible Carbon Nanofiber Membrane Derived from PAN/Benzoxazine

LIU Yuan, NIE Shengqiang, ZHANG Chunmei, WANG Yi, XIE Xiangyu, LUO Jun()

Engineering Research Center for Materials Protection of Wear and Corrosion of Guizhou Province，Guiyang University，Guiyang 550005，China

Received:2020-07-10 Online:2021-02-26 Published:2021-02-22
Contact: LUO Jun E-mail:luojun_gyu@sina.com

摘要/Abstract

摘要：

通过将苯并噁嗪、聚丙烯腈（PAN）和乙酰丙酮铁共同静电纺丝的方式制备了柔性良好的碳纳米纤维薄膜。结果表明，引入结构设计的苯并噁嗪可以有效地将N、O、S等杂元素引入碳纳米纤维薄膜，从而有效地提高电极的赝电容特性及电解质对电极的浸润性。并在此基础上，进一步将环境友好且赝电容特性明显的Fe₃O₄沉积在所得碳纳米纤维薄膜上，最终制备了电化学性能优异的柔性电极材料Fe₃O₄@BENCNFs，三电极测试结果表明，当电流密度为1 A/g时，其质量比容量高达160.1 F/g。

关键词: 静电纺丝, 碳纳米纤维薄膜, 苯并噁嗪, 电化学性能

Abstract:

A carbon nanofiber membrane with good flexibility was prepared through electrospinning with a mixture of benzoxazine， PAN and iron acetylacetonate. The results indicated that the N， O and S heteroatoms were successfully introduced into the as?prepared carbon nanofiber membrane through electrospinning in terms of the chemical structure designed benzoxazine， and these introduced heteroatoms effectively enhanced the pseudocapacitance of the electrode and its wettability with the electrolyte. Furthermore， eco?friendly Fe₃O₄ with excellent pseudocapacitance was deposited on the surface of the carbon nanofiber membrane to obtain a flexible supercapacitor electrode material （Fe₃O₄@BENCNFs） with excellent electrochemical performance. The three?electrode test results indicated that the Fe₃O₄@BENCNFs achieved a specific capacity of 160.1 F/g at a current density of 1 A/g.

Key words: electrospinning, carbon nanofiber membrane, benzoxazine, electrochemical property

中图分类号:

TQ315.8

刘渊, 聂胜强, 张春梅, 王壹, 谢向宇, 罗军. 基于聚丙烯腈/苯并噁嗪的柔性碳纳米纤维薄膜的制备及其电化学性能研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(2): 34-40.

LIU Yuan, NIE Shengqiang, ZHANG Chunmei, WANG Yi, XIE Xiangyu, LUO Jun. Research on Preparation and Electrochemical Properties of Flexible Carbon Nanofiber Membrane Derived from PAN/Benzoxazine[J]. China Plastics, 2021, 35(2): 34-40.

图/表 13

图1 苯并噁嗪单体的制备工艺路线

Fig.1 Synthesis of the benzoxazine monomer

图2 苯并噁嗪单体的NMR谱图

Fig.2 NMR spectra of the benzoxazine monomer

图3 苯并噁嗪单体的固化DSC曲线

Fig.3 DSC curve of the curing reaction of benzoxazine monomer

图4 苯并噁嗪固化物的热降解TG曲线

Fig.4 TG curve of the cured benzoxazine

图5 苯并噁嗪固化物热降解前后的数码照片

Fig.5 The images of the cured benzoxazine before and after thermal degradation

图6 苯并噁嗪、苯并噁嗪固化物和残炭的元素组成

Fig.6 Element results of benzoxazine, cured benzoxazine and carbon residue

样品	元素组成/%
样品	C	H	N	S
苯并噁嗪单体	63.98	4.69	5.23	6.37
苯并噁嗪固化物	63.15	4.66	5.36	6.48
残炭	80.84	2.26	4.35	2.54

表1 苯并噁嗪、苯并噁嗪固化物和残炭的元素组成

Tab.1 Element analysis results of benzoxazine, cured benzoxazine and carbon residue

图7 碳纳米纤维薄膜的SEM照片

Fig.7 SEM of the nanofibers

图8 CNFs和Fe3O4@BENCNFs的柔性演示图

Fig.8 Digital images of flexibilities of CNFs and Fe3O4@BENCNFs

图9 Fe3O4@BENCNFs的SEM及C、N、O、S、Fe的Mapping照片

Fig.9 SEM of Fe3O4@BENCNFs and its C, N, O, S and Fe elemental mapping images

图10 碳纳米纤维的XPS谱图

Fig.10 XPS spectra of the carbons nanofibers

图11 Fe3O4@BENCNFs 的拉曼光谱图

Fig.11 Raman spectra of Fe3O4@BENCNFs

图12 Fe3O4@BENCNFs的电化学性能

Fig.12 Electrochemical performances of Fe3O4@BENCNFs

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基于聚丙烯腈/苯并噁嗪的柔性碳纳米纤维薄膜的制备及其电化学性能研究

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