文献综述
概要：
静电纺丝法是聚合物溶液或熔体在静电作用下进行喷射拉伸 而获得纳米级纤维的纺丝方法,具有制造 装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多和工艺可控等优点,已成为有效制备纳米纤维材料 的主要途径之一。常见用于静电纺丝的材料有聚丙烯腈 ( PAN)、聚乙 烯醇( PVA)、聚甲基丙烯酸甲酯( PMMA)、聚乙烯吡咯烷酮( PVP)等一系列高分子材料。由于 PAN 具有良好的纺丝性能、较高的碳化收率等特点,将PAN运用于静电纺丝法制备纳米纤维已成为研究热点。目前大多数制备 PAN纤维的方法是将纯 PAN或者 PAN与其它成分混合溶解在二甲基甲酰胺( DMF)等溶剂中形成纺丝液,制备成 PAN 纤维。
关键词：碳纤维 水热 PAN 超级电容器
前言：
电容器是一种储蓄电能的器件，它的使用避免了电子仪器与设备因电源瞬间切断或电压偶尔降低 而产生错误动作．超级电容器是采用具有高比表面积的多孔炭材料作为电极或者利用电极活性物质进行欠电位积，使其发生快速、可逆的化学吸附／脱附或氧化／还原 反应方法来获得法拉第数量级的电容量．它具有比能量高、比功率高、 充放电速度快、充放电产生的热效应小、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等优点．随着研究的不断深入和发展， 超级电容器在通讯科技、信息技术、家用电器、数码产品、电动汽车、航空航天以及国防等领域将得到更广泛应用。超级电容器的巨大市场需求掀起了人们的研发热潮，而高性能产品的研究更是倍受青睐。电极材料是决定超级电容器性能的最重要因素之一，只有开发出高性能的电极材料才能生产出高性能的超级电容器[1]。
研究现状：
经过文献查找与阅读，发现目前超级电容器有着以下几种。（1）多孔碳材料。W. J. Ma, S. H. Chen 等他们发现柔性 SC 的设计需要先进的柔性电极，机械强度好，电容量大。在这个观点上，由于石墨烯具有比表面积大，机械强度高，导电率高等特点，因此作为柔性超级电容器的电极显示出巨大的潜力。由石墨烯纳米片形成的石墨烯纤维由于其显着的机械性能和电学性能而成为有前途的柔性电极之一[2-4]。 其小组通过非液晶纺丝方法制备多孔石墨烯纤维。将间隔物（如碳纳 米管）插入石墨烯纤维中以扩大单个石墨烯纤维片之间的层间距是制造多孔石墨烯纤维的另一有效策略。然而，由于碳纳米管的生产成本较高以及石墨烯纤维不可扩展的制造工艺限制了其作为柔性 SC 的电 极的实际应用。但他们研究出分层结构的二氧化锰纳米线/石墨烯混 合纤维具有优异的电容性能是由一个非常简单，低成本和可扩展的湿法纺丝方法。这些纤维中的 MnO2 纳米线不仅作为有效的间隔物来抑制石墨烯纳米片的重新堆积，增加了比表面积（139.9 m2 g-1），而且提供了伪电容以提高整体性能。同时，包裹 MnO2 纳米线的高导电石 墨烯纳米片能够抑制 MnO2 纳米线的聚集，起到促进纤维中电子传输的高速公路的作用，提高质量负载量（高达 40wt％）和 MnO2 的电化学利用率。此外，石墨烯纳米片还保持纤维的完整性和稳定性并提供柔韧性。使用所制备的混合光纤组装灵活的固态 SC，并且显示出高体积电容（高达 66.1F cm-3，通过两个光纤电极的总体积归一化），优异的循环稳定性（96％电容保持率超过 10000 周期）以及高能量和高功率密度（分别高达 5.8 mWh cm-3 和 0.51 W cm-3）。在机械变形下，它们也保持了良好的结构和电化学性能，表明这些器件具有良好的柔韧性[5]。PAN 由于其具有强极性键，表现优异的导电 性，因此受到研究者的广泛关注。最近，三维（3D）分级多孔碳材料， 特别是三维互穿大孔网络，可通过改善电极材料中电解质的不良离子迁移而导致电化学充放电过程的显着增强。这些大孔作为离子缓冲池，以减少扩散距离[6]，中孔提供最小电阻的离子传输通道，微孔增强双电层。迄今为止，具有多孔结构的碳材料在超级电容器中具有巨大的潜力，并为此付出了很多努力[7]。Long Yao, Guangzhi Yang 等他们利用高孔径聚丙烯腈（PAN）衍生的三维分级孔结构碳纤维，其中介孔和微孔整合到以全有机聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）/PAN核—壳聚合物为前大孔支架体中。全有机致孔前体是 通过无表面活性剂乳液聚合合成的，这是一种简单，绿色的方法，不需要添加和随后除去稳定表面活性剂。介孔和微孔通过用氢氧化钾和PMMA 作为大孔发生剂的化学活化而引入。与目前的软模板和硬模板方法相比，我们的方法允许用富含杂原子的碳源均匀地填充模板，并且不需要引入非模板化的碳源。此外，我们的方法中使用的有机贡献核心可以通过简单的热分解去除，而不会干扰杂原子提供纳米碳的功能。合成得到 HPCs 超级电容器的性能在 0.5 A·g-1 的电流密度下具有比容 237 F·g-1，在 20A·g-1 的电流密度下表现出高比电容 314F·g-1，从 1 到 20A·g-1 有着 83％保留率的超高倍率。出色的循环稳 定性，2000 次循环后电容保持率仍达到 96％[8-9]。然而 Zhou Z, Wu X F他们利用静电纺丝技术作为一种低成本，可扩展的自上而下的纳米制 造工具已经被广泛用于生产广泛的聚合物和聚合物衍生的碳，金属，金属氧化物，陶瓷等的连续纳米纤维[10-13]。 静电纺丝还提供了制
造低成本多孔纳米纤维电极的多种途径，可用于超级电容器和可再充电电池。其中，通过电纺聚合物纳米纤维的碳化合成的连续 CNF 具有 优异的导电性和导热性以及用于传输电流和热流的高连接性，具有高 比电容和稳定性。然而，与碳纳米管和石墨烯相比，电纺纳米纤维通 常具有相对较低的比表面积，这明显限制了超级电容器的电化学能。为解决这个缺陷，他们利用了一个巧妙的方法，将制定一个新的 途径合成和表征一个创新的多孔电极材料的基础上连续石墨烯珠 CNFs（G / CNFs）用于超级电容器。目的在于综合利用电纺 CNF（例 如，连续性和导电性）和石墨烯（例如，大的比表面积和高导电率） 的优点，用于电能储存的目的。采用静电纺丝聚丙烯腈（PAN）/ N，N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液分散氧化石墨烯纳米片和连续碳化制备 多孔 G / CNF 薄膜;对新型 G / CNF 电极的化学结构和电化学性能进行 了表征，并与纯电纺 CNF（不含石墨烯）电极进行了对比。通过循环 伏安法（CV），电化学充/放电和电化学阻抗测试在 6m KOH 水溶液 电解质中表征合成的 G / CNF 膜作为超级电容器电极的电化学行为。 电化学测量表明，在放电电流密度为 100 mA g-1 时，多孔 G / CNF 电 极的最大比电容达到 263.7 F g-1。此外，超级电容器具有非常好的储 能循环稳定性，2000 次循环后保留率为 86.9％[10-13]。
通过以上文献内容以及其他文献，我对聚丙烯腈的制作超级电 容器的电极材料背景与方法有了大致的了解，并且选择了三维蜂窝状 分层多孔聚丙烯腈基碳纤维作高性能超级电容器电极这个方法作为 后续的研究反法。这是一种绿色，简便和高效的策略，以 PMMA-PAN 核壳聚合物颗粒为前驱体，然后进行碳化和活化，制备三维层状孔结构碳。所获得的 HPCs 具有中孔和微孔结合到大孔支架的 3D 结构，具有较大的表面积（1014－2085 m2·g-1）和高含氧量（12.46－21.2％）。 这些独特的性能具有良好的多重协同效应，有利于优异的超级电容器性能。
