木质素基活性碳纤维物电特性调控机理及其在超级电容器中电学性能的构效关系研究

Development of lignin based activated carbon fibers (LACFs) and its application in supercapacitor is one of the most prospective utilizations of lignin. As an electrode material，the morphological characteristics and electrical properties of LACF are the main factors to improve the performance of supercapacitor. Our previous studies were mainly focused on its morphology modifications, such as increasing the specific surface area and controlling pore size distribution of LACFs. However, its conductivity, another important parameter to improve the performance of supercapacitors, still has not been systematically studied. To solve this problem, we are aiming at revealing the regulation mechanism of the conjugated carbon frames under 1500oC to improve the conductivity of LACFs. In addition, the influence of specific surface area and pore size distribution will also be worked on, and the structure-performance relationship between "lignin based ACFs" and "electrical performance of supercapacitors" will be established. In a strategy view of converting lignin to value-added material, this study is an application extension in the field of energy storage devices, and it will also provide new ideas and scientific basis in other interdisciplinary researches.

木质素基活性碳纤维及其在超级电容器中的应用是木质素最具前景的高值化应用之一。作为电极材料，木质素基活性碳纤维的物电特性（比表面积、孔径分布、电导率）是提高超级电容器电学性能的关键。前期工作中，申请人已经在增大碳纤维比表面积和控制孔径分布方面进行了深入研究，而其电导率对超级电容器电学性能的影响还未阐明，这也是限制该电学性能进一步提高的重要因素。本项目将重点研究低温条件（1500oC以内）下共轭碳晶结构的形成机制，进而提高活性碳纤维的电导率；同时兼顾比表面积和孔径分布，系统研究木质素基活性碳纤维物电特性对超级电容器电学性能的影响。从而阐明不同制备方法对木质素基活性碳纤维共轭碳晶结构（电导率）的调控机制，并揭示其物电特性与超级电容器电学性能的构效关系，为提高木质素附加值及其在储能材料领域的应用提供科学依据。

本项目针对不同种类的木质素原料特性，设计高压静电纺丝和熔融纺丝两种不同路径，制备出相应的木质素基活性碳纤维。研究结果显示，两种制备方法均具有制备时间短、能量消耗少的特点（预氧化时间由72h缩短到2.5h）。在不同制备方法和变量条件下，木质素基活性碳纤维均具有较高的比表面积和不同的孔径分布；且在乙酰丙酮镍的催化作用下，木质素纤维可在低温（1500oC以下）快速形成共轭碳晶结构，并形成了整体石墨化和表层石墨化的两种木质素基活性碳纤维。进而通过共轭碳晶结构的定量表征和热学分析，解译出木质素分子在不同温度下的“降解-碳化-石墨化”过程。最后，本项目结合碳纤维比表面积、孔径分布、共轭碳晶结构等木质素基活性碳纤维基础数据，重点对用其组装的超级电容器进行性能调控。受到木质素基活性碳纤维共轭碳晶结构的影响，超级电容器的电学性能与无该结构样品相比，电容量、功率密度、能量密度分别提高450%、450%和260%。因此，本研究可以作为木质素制备具有特征结构碳纤维的可靠依据，拓展木质素的高附加值应用的有效途径，并为其储能特性的研究和应用提供科学依据。