中空氮掺杂沥青基活性炭纤维的结构调控与电化学性能

乐丹¹，杨建校¹，孙兵²，石奎¹，朱辉²，李轩科^1,2

1. 湖南大学材料科学与工程学院先进炭材料及应用技术湖南省重点实验室2. 武汉科技大学化学与化工学院

摘 要：以聚乙烯亚胺(PEI)为氮源与乙烯焦油沥青进行复合制备了可纺沥青,通过熔融纺丝、预氧化、炭化和活化制得了具备中空结构的富氮沥青基活性炭纤维(ACF)。利用N2吸附与脱附等温线、XPS、SEM、Mapping等分析技术对所制得的ACF的表面形貌、孔隙结构及表面化学性质进行了表征,并测试了其作为超级电容器电极材料的电化学性能。研究结果表明,PEI在纺丝沥青中的掺入可明显提升ACF的比表面积,改善其孔径分布,增加其表面含氮官能团,从而改善材料表面润湿性,同时PEI在炭化过程中的热分解促使了纤维中空结构的形成,所制得ACF具有中空结构,提高了材料的有效比表面积,进而显著提高其比电容。PEI的掺入量为20%时,合成的可纺沥青所制备的ACF的比表面积高达2 756 m~2/g,孔径主要分布在0. 7～2 nm,其比电容在电流密度为0. 5 A/g时可达314 F/g,远高于未进行氮掺杂的ACF的比电容(194 F/g),显示出较好的电化学性能。

关键词：沥青;活性炭纤维;氮掺杂;超级电容器;中空结构;