青島大學《Carbon》：木質素在碳納米纖維上原位生長石墨烯

2020-08-27 材料分析與應用

本文要點：

  • 通過使用紙漿廢料中富含地球的木質素在碳纖維上原位生長石墨烯結構而不添加任何催化劑。
  • 通過碳化策略，碳纖維上的CaS納米粒子由LS形成，可以用作石墨烯生長的催化劑。
  • 所獲得的柔性石墨烯/碳納米纖維具有高電導率和出色的電化學性能，可作為Li–S電池中硫陰極的支架。

成果簡介

異質結構碳納米纖維的設計和合成對於光電子，導體和催化裝置領域的應用具有重要意義。儘管木質素已被廣泛用作製造納米纖維的基礎材料，但在不使用其他催化劑的情況下合成導電異質結構的碳納米纖維仍然非常具有挑戰性。本文，青島大學等研究人員在《Carbon》期刊發表名為「In-situ growth of graphene on carbon nanofiber from lignin」的論文，研究使用木質素磺酸鈣（LS）作為起始材料原位生長石墨烯接枝的碳納米纖維（G / CNF），而無需添加催化劑。通過電紡，熱解和洗滌程序，將初紡納米纖維轉化為柔性G / CNFs薄膜。

當碳化溫度超過1100°C時，原位形成的CaS納米顆粒可充當CNF表面上石墨烯生長的催化劑。與文獻報導的值相當。作為概念證明，通過使用G / CNFs膜作為獨立的柔性硫陰極支架，這樣製成的鋰硫電池在0.2 C循環600次後表現出808.7 mAh·g -1的高放電。這項工作代表了使用低成本木質素前體設計異質結構石墨烯/ CNF的有前途的新方法，並且為CNF在眾多應用中的可持續發展提供了重要的見識。

圖文導讀

圖1。G / CNFs膜的製備示意圖。


圖2。（a–c）（a）前體纖維，（b）CaS / CNFs-600，（c）CaS / CNFs-1400的SEM圖像。（d）CNFs-1400的SEM圖像。所製備的納米纖維首先在600°C下碳化，然後通過洗滌處理去除CaS納米顆粒。最後，經過預處理的CNF在1400°C碳化。（e-h）CaS / CNFs-600（e）在清洗處理之前和之後的（f）以及CaS / CNFs-1400（g）在清洗處理之前和之後的（h）的TEM圖像。（i–j）（i）CaS / CNFs-1400的FESEM圖像，（j）（i）的放大圖像。（k–l）（k）CaS / CNFs-1400和（l）G / CNFs-1400的橫截面FESEM圖像。


圖3。（a）TEM圖像和SAED圖案，以及（b）HRTEM和（c）CaS / CNFs-1500的HRTEM圖像放大。（d）G / CNFs-1500的TEM圖像，SAED圖案和放大的HRTEM圖像。（e）TEM和（f）CaO / CNFs-1500的HRTEM放大圖像。


圖4。單個CaS / CNFs-1400纖維上的Ca，S和C的TEM圖像和相應的EDS元素映射圖像。


圖5。（a）照片顯示CNF膜的柔韌性。（b）在不同溫度下CNF的拉曼光譜。（c）CaS / CNF在不同溫度和不同PVA / LS比下的電導率曲線。（d）以G / CNFs-1400-S，CNFs（PAN-1400）-S和CNFs-1400為陰極的Li-S電池的恆流充電/放電曲線。（e）G / CNFs-1400-S，CNFs（PAN-1400）-S和CNFs-1400的速率能力。（f）G / CNFs-1400-S，CNFs（PAN-1400）-S和CNFs-1400在0.2 C下的循環性能。

小結

總之，我們首先使用木質素作為前體合成了柔性G / CNFs膜，而沒有添加其他催化劑。柔性G / CNFs膜可能適用於諸如柔性電極，催化和可穿戴電子設備等廣泛應用。基於木質素的異質結構CNF可能對生物基碳的潛在新型合成途徑具有重大意義及其衍生的高價值材料。它代表了用於儲能或能量轉換設備的獨立，靈活且經濟高效的膜的巨大潛力。


文獻：

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