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电纺木质素构建碳纳米纤维及其热电性能

 
发布日期:2018-10-16
 

碳纳米管(CNT)是作为热电材料的有效有机物之一,然而,CNT由于成本高,加工困难以及对粘合剂的要求高,因此其应用受到很大的限制。电纺碳纳米纤维(CNF)具有高导电性、高表面积和自支撑结构,在能源存储和转换应用方面受到了极大的关注,可作为CNT的潜在替代品。目前,电纺陶瓷纳米纤维和电纺CNT /聚苯胺纳米纤维已被研究用于热电应用。绝大多数碳纤维和CNF是以聚丙烯腈(PAN)为前驱体材料。但是,PAN成本高和产生相应的温室气体。木质素是第二位丰富的生物聚合物,是纸和纸浆工业的副产品。因此,木质素具有低成本,最小化温室气体排放。木质素可促进碳化过程中石墨化程度,被认为是一种有前景的生物基碳纤维前驱体。但是,木质素非常脆并且在碳化前需要固化过程,将木质素与PAN混合可以解决这些局限性,并可以弥足使用PAN作为碳前驱体的缺点。

研究者通过电纺聚丙烯腈木质素混合物制备了生物基碳纳米纤维(CNF),木质素添加高达70%时,CNF的直径从450nm减小到250nm,同时增加样品的柔韧性,并促进纤维间的交联。研究结果表明,在900℃下碳化加入70%木质素的CNF的最大p型功率因数为9.27μWcm-1K-2,其对于具有0%木质素的CNF增加34.5倍。对于肼处理的样品,以相同方式产生的CNF的最大n型功率因数为10.2μWcm-1K-2,其为具有0%木质素的CNF的11.0倍。


图1.初纺(a-d)和固化(e-h)纳米纤维的FE-SEM图像,(a,e)前驱体溶液中木质素含量0%,(b,f)30%,(c,g)50%和(d,h)70%。


图2.在900°C(a - d)和1100°C(e - h)碳化的CNF的FE-SEM图像(a,e)前驱体溶液中的木质素含量0%,(b,f)30%,(c,g)50%和(d,h)70%照片显示了每个样品在断裂前的最大灵活性。

 
 
 

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