リグニンコンポジットナノファイバーを原料とするカーボンナノファイバーの開発

木质素复合纳米纤维碳纳米纤维的研制

基本信息

批准号：
26850112
负责人：
吾郷万里子
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Tokushima Bunri University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2014
资助国家：
日本
起止时间：
2014-04-01 至 2016-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度はリグニンナノファイバーをエレクトロスピニング法によって作製し，カーボン化の条件検討を行った．続いて，得られたカーボンナノファイバーの物性・構造解析を行った．とくに，スーパーキャパシタ用の電気伝導性電極としての性能に着目した．この結果，従来天然物由来のカーボン材料で得られているより高い値を示し，スーパーキャパシタ用電極材料として優れた性質を有することを明らかにした．詳細は以下に示す．１．エレクトロスピニング法によるリグニンナノファイバーの作製；リグニン／ポリビニルアルコール混合溶液を作製し，電圧16~19 kV，送液速度，8ml/min，ニードル-コレクター間距離，18 cm．以上の条件により，安定的に繊維半径約150 nmの不織布状の繊維マット（ネットワーク構造）が得られた．２．カーボンナノファイバーの作製；窒素雰囲気下（400 ml/min）で，種々検討した結果，前処理温度250 oC，1時間，昇温速度，4 または10 oC/min，900 oC，1時間で最も高い収率を得た．加えて，カーボンナノファイバーのネットワーク構造が維持されていることも確認された．このネットワーク構造は，力学特性を高めると共に，電気伝導性を高めることにも寄与している．さらに，このカーボン化の過程で，水酸化カリウムによる化学活性化を行うことにより，極めて高い比表面積を獲得でき，1900 m2/gを超えた．さらに，メソポアサイズの多孔質カーボン（メソポアカーボン）であることを窒素吸着曲線の解析より明らかにした．３．電気化学的特性；リグニンより得られたカーボンナノファイバー（ネットワーク）を電極として直接利用して，キャパシタンスを評価した．この結果，約205F/gの静電容量を示した．この値は，セルロースといったバイオマスに分類される他の生物資源から得られたカーボン材料と比較して，約2倍の値であり，リグニンがカーボン電極材料として優れていることを示した．

今年，我们通过静电纺丝生产了木质素纳米纤维，并研究了碳化条件。接下来，我们分析了所得碳纳米纤维的物理性质和结构。我们特别关注其作为超级电容器导电电极的性能。结果发现，该值高于传统的源自天然产物的碳材料所获得的值，并且表明其作为超级电容器的电极材料具有优异的性能。详细信息如下所示。 1.静电纺丝法制备木质素纳米纤维：制备木质素/聚乙烯醇混合溶液，电压16-19kV，加液速率8ml/min，针收集器距离18cm。在上述条件下，稳定地获得了纤维半径约为150nm的非织造纤维垫(网络结构)。 2.碳纳米纤维的制备：在氮气气氛（400ml/min）下进行了各种研究，预处理温度为250℃，1小时，升温速率为4或10℃/min，最高为900℃，1小时。小时获得产量。此外，还证实了碳纳米纤维网络结构得以维持。这种网络结构不仅可以提高机械性能，还有助于提高导电性。此外，通过在碳化过程中用氢氧化钾对材料进行化学活化，我们能够获得极高的比表面积，超过1900平方米/克。此外，氮吸附曲线分析表明该材料是介孔尺寸的多孔碳（介孔碳）。 3.电化学性能：使用直接从木质素获得的碳纳米纤维（网络）作为电极来评估电容。结果显示电容约为205F/g。该值大约是从纤维素等其他生物资源中获得的碳材料的两倍，表明木质素是一种优异的碳电极材料。