靜電紡絲製備複合性奈米碳纖維應用於超級電容

摘要

本研究利用電漿改質奈米碳管接枝馬來酸酐(CNT-MA)添加於靜電紡絲奈米纖維中，並經由800 ?C的碳化程序製備奈米碳纖維，製備出導電性良好的奈米碳纖維，並應用於超級電容之製備。電漿改質CNT-MA的接枝量經由Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR)和X-ray photoelectron spectroscopy(XPS)分析結果顯示，CNT-MA中的馬來酸酐含量為16 2%。添加CNT-MA進行電紡及燒結所得的複合奈米碳纖維型態、表面元素組成及電化學性質則分別使用電子顯微鏡(SEM，TEM)、XPS和電化學交流阻抗分析。結果顯示，CNT-MA可良好的分散於奈米碳纖維內，除增加其導電度外，也可改變表面的氮元素組成來增加電容量。當CNT-MA添加量為1 0 wt %時，可得到最高382 F/g電容量的奈米碳纖維，其導電度為2 2 s/cm，在定電流充放電、循環伏安及電化學交流阻抗的實驗中皆顯示有最好的電化學性質。當CNT-MA添加量增加至2 5 wt %時，奈米碳纖維雖有最高的導電度5 2 s/cm及高達70 3%的pyridinic和pyrrolic官能基含量；然而因為漏電流的發生，無法達到較高的電容量。 另一方面，將此高導電性CNT-MA(1 0 wt %)複合奈米碳纖維進行電漿改質後，將聚苯胺以化學鍵結接枝於表面(PANi-P-1 0)。經由Raman、XPS、SEM及TEM確認聚苯胺是以emeraldine base結構和奈米柱的型態均勻接枝於奈米纖維表面。進一步經由電化學測試結果顯示，複合奈米碳纖維的高電容量(606 F/g)是由高導電度的奈米碳纖維形成電雙層及聚苯胺的擬電容結合而得。若將PANi-P-1 0與聚苯胺是以物理性包覆奈米碳纖維進行電化學性質比較時可發現，前者界面因有化學鍵結使其阻抗降低，無論是電子傳遞阻抗(Rct)還是離子擴散阻抗(Warburg coefficient)皆分別由13 54 Ω下降至3 87 Ω及101 39 Ωs-1/2下降至47 96 Ωs-1/2，而relaxation time constant 由0 794 s下降至0 194 s。定電流循環充放電結果亦顯示，PANi-P-1 0於作用1 000圈後，依然保有100%的電容量，此為聚苯胺有足夠的空間進行體積改變，並且因為共價鍵的關係不易從奈米碳纖維表面脫落而增加其使用壽命。 進一步地為了取得可於快速充放電下操作的超級電容器，本研究導入新式離心靜電紡絲製備polyacrylonitrile (PAN)/polymethyl methacrylate (PMMA)複合性高分子奈米纖維，再經由800 ?C去除PMMA相，使其碳化為直徑只有28±11 nm的超細奈米碳纖維。以SEM可以觀察到新式離心靜電紡絲可以提供額外的強力離心力，於紡絲過程中將分散於PMMA連續相中的PAN液滴延伸為超細奈米纖維結構。此特殊的結構相較於傳統靜電紡絲所製備的奈米碳纖維(126±16 nm)展現出更好的電化學性質。交流阻抗分析結果顯示，縮短奈米碳纖維的直徑可以增加外比表面積及縮短離子擴散至孔洞的距離，因而降低電子傳遞、分佈阻抗及離子擴散阻抗。可於1A/g的充放電速度下，取得243 F/g的電容量；於100 A/g的高充放電速度下，仍可保留77 1%的電容量。此結果明顯高於傳統靜電紡絲奈米碳纖維(130 F/g 1 A/g；7 7% 100 A/g)，為一種具商業化競爭力的超級電容。

獎項日期	2017 2月 14
原文	???core.languages.zh_ZH???
監督員	Chuh-Yung Chen (Supervisor)