通过空气等离子体在电纺木质素基碳纳米纤维膜上快速进行氧氮共官能化以进行储能应用

DOI:10.1016/j.ijbiomac.2019.11.237

传统的碳纳米纤维（CNF）中引入杂原子的热后改性方法普遍存在制备成本高、需要额外化学试剂等缺点。在此基础上，提出了一种基于空气等离子体技术的木质素基碳纳米纤维（LCNF）中引入氧/氮的方法。空气等离子体产生的大量自由基（N，O₂⁺，O⁺，O₂^-，O^-）使等离子体修饰的LCNF（P-LCNF）中的氧（15.24 wt.%）和氮（11.48 wt.%）含量较高。此外，空气等离子体还导致P-LCNF表面粗糙。利用氧氮共掺杂和粗糙表面的协同作用，P-LCNF的水接触角降低了64%。在6.0mol/L的KOH电解液中，P-LCNF电极具有优良的比电容（1.0A/g时为344.6F/g）、良好的倍率性能（68.5%的电容保持率）、较低的内阻（0.34Ω）以及2000次循环后102.4%的电容保持率。

图1. DBD空气等离子体改性制备氧氮共掺杂LCNF的工艺流程示意图。

图2. LCNF和P-LCNFs的FE-SEM图像（插图是高倍放大图像）（a）和XRD光谱（b）；LCNF和P-LCNF-5的拉曼光谱（c，d）；LCNF和P-LCNFs的N₂吸附-解吸等温线（e）和孔径分布（f）。

图3. LCNF和P-LCNFs的XPS光谱（a）；LCNF和P-LCNF-5的C1s峰（b，c）和N1s峰（d，e）的高分辨率XPS；LCNF和P-LCNFs的水接触角（插图为光学接触角图）（f）；DBD空气等离子体的OES光谱（g）；LCNF表面上DBD空气等离子体改性的示意图（h）。

图4. 扫描速率为5 mV/s的CV曲线（a）；GCD在1.0 A/g的电流密度下弯曲（b）; 奈奎斯特曲线。（插图为放大的细节）（c）；电流密度的比电容为0.5至10 A/g（d）；电流密度为10 A/g时的循环性能（e）。