高等学校化学学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (3): 20210632.doi: 10.7503/cjcu20210632
张诗昱1, 何润合1, 李永兵1, 魏士俊1, 张兴祥1,2()
收稿日期:
2021-09-01
出版日期:
2022-03-10
发布日期:
2021-12-16
通讯作者:
张兴祥
E-mail:zhangpolyu@aliyun.com
基金资助:
ZHANG Shiyu1, HE Runhe1, LI Yongbing1, WEI Shijun1, ZHANG Xingxiang1,2()
Received:
2021-09-01
Online:
2022-03-10
Published:
2021-12-16
Contact:
ZHANG Xingxiang
E-mail:zhangpolyu@aliyun.com
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摘要:
通过γ射线辐照交联异型聚丙烯腈(PAN)纤维解决了低分子量聚丙烯腈半碳化中的熔融坍塌问题, 提高了PAN的半碳化稳定性; 采用傅里叶变换红外光谱、 元素分析及核磁共振波谱确定了辐照交联机理. 同时, 根据辐照产生的不同交联度与PAN硫化后载硫量的变化关系, 探讨了硫化聚丙烯腈(SPAN)锂硫电池正极材料的储硫机理. 利用拉曼光谱及X射线光电子能谱等分析手段表征了SPAN中硫原子的反应位置, 说明PAN主链上的亚甲基所在的碳为与硫化学结合的活性位点, 为探究SPAN结构提供了新的依据. 交联度升高对硫化后所形成的SPAN正极材料的电化学稳定性起促进作用, 容量保持率可提升至98%.
中图分类号:
TrendMD:
张诗昱, 何润合, 李永兵, 魏士俊, 张兴祥. 辐照交联制备低分子量聚丙烯腈纤维锂硫电池正极材料及其储硫机理. 高等学校化学学报, 2022, 43(3): 20210632.
ZHANG Shiyu, HE Runhe, LI Yongbing, WEI Shijun, ZHANG Xingxiang. Fabrication of Lithium-sulfur Battery Cathode with Radiation Crosslinked Low Molecular Weight of Polyacrylonitrile and the Mechanism of Sulfur Storage. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(3): 20210632.
Fig.3 Polarizing optical microscopy images of profiled PAN fibers at different temperatures and under different irradiation dosesIrradiation dose/kGy: (A1—A5) 0; (B1—B4) 200; (C1—C4) 250; (D1—D4) 300; (E1—E4) 350.Temperature/℃: (A1—E1) r.t.; (A2—E2) 220; (A3—E3) 250; (A4—E4) 270; (A5) 290.
Sample | C(%) | H(%) | N(%) | C/H molar ratio | C/N molar ratio |
---|---|---|---|---|---|
PAN | 65.90 | 5.82 | 24.35 | 0.94 | 3.16 |
PAN?IR200 | 66.08 | 5.42 | 24.40 | 1.02 | 3.17 |
PAN?IR300 | 66.17 | 5.30 | 24.42 | 1.14 | 3.17 |
Table 1 Elemental analysis of profiled PAN fibers with different cross-linking degrees
Sample | C(%) | H(%) | N(%) | C/H molar ratio | C/N molar ratio |
---|---|---|---|---|---|
PAN | 65.90 | 5.82 | 24.35 | 0.94 | 3.16 |
PAN?IR200 | 66.08 | 5.42 | 24.40 | 1.02 | 3.17 |
PAN?IR300 | 66.17 | 5.30 | 24.42 | 1.14 | 3.17 |
Sample | C(%) | H(%) | N(%) | S(%) | C/H molar ratio | C/S molar ratio | N/S molar ratio |
---|---|---|---|---|---|---|---|
SPAN | 57.37 | 1.70 | 19.19 | 16.43 | 2.81 | 9.37 | 2.69 |
SPAN?IR200 | 61.74 | 1.52 | 19.63 | 12.09 | 3.39 | 13.55 | 3.68 |
SPAN?IR300 | 62.18 | 1.10 | 19.59 | 11.13 | 4.71 | 14.80 | 4.00 |
Table 2 Elemental analysis of SPAN with different cross-linking degrees
Sample | C(%) | H(%) | N(%) | S(%) | C/H molar ratio | C/S molar ratio | N/S molar ratio |
---|---|---|---|---|---|---|---|
SPAN | 57.37 | 1.70 | 19.19 | 16.43 | 2.81 | 9.37 | 2.69 |
SPAN?IR200 | 61.74 | 1.52 | 19.63 | 12.09 | 3.39 | 13.55 | 3.68 |
SPAN?IR300 | 62.18 | 1.10 | 19.59 | 11.13 | 4.71 | 14.80 | 4.00 |
1 | Zeng L. C., Pan F. S., Li W. H., Jiang Y., Zhong X. W., Yu Y., Nanoscale, 2014, 6(16), 9579—9587 |
2 | Peng H. J., Huang J. Q., Cheng X. B., Zhang Q., Adv. Energy Mater., 2017, 7(24), 1700260 |
3 | Lei J., Liu T., Chen J. J., Zheng M. S., Zhang Q., Mao B. W., Dong Q. F., Chem, 2020, 6(10), 2533—2557 |
4 | Fang R. P., Zhao S. Y., Sun Z. H., Wang D. W., Cheng H. M., Li F., Adv. Mater., 2017, 29(48), 1606823 |
5 | Dirlam P. T., Glass R. S., Char K., Pyun J., J. Polym. Sci. Pol. Chem., 2017, 55(10), 1635—1668 |
6 | Wang J. L., Yang J., Xie J. Y., Xu N. X., Adv. Mater., 2002, 14(13), 963—965 |
7 | Wang J. L., Yang J., Wan C. R., Du K., Xie J. Y., Xu N. X., Adv. Funct. Mater., 2010, 13(6), 487—492 |
8 | Yang H. J., Chen J. H., Yang J., Wang J. L., Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59(10), 7306—7318 |
9 | Doan T. N. L., Ghaznavi M., Zhao Y., Zhang Y., Konarov A., Sadhu M., Tangirala R., Chen P., J. Power Sources, 2013, 241(11), 61—69 |
10 | Zhang B., Qin X., Li G. R., Gao X. P., Energy Environ. Sci., 2010, 3(10), 1531—1537 |
11 | Yu X. G., Xie J. Y., Yang J., Huang H. J., Wang K., J. Electroanal. Chem., 2004, 573(1), 121—128 |
12 | Fanous J., Wegner M., Grimminger J., Andresen A., Buchmeiser M. R., Chem. Mat., 2012, 23(22), 5024—5028 |
13 | Frey M., Zenn R. K., Warneke S., Müller K., Hintennach A., Dinnebier R. E., Buchmeiser M. R., ACS Energy Lett., 2017, 2(3), 595—604 |
14 | Lei J. Y., Chen J. H., Zhang H. M., Naveed A., Yang J., Nuli Y., Wang J. L., ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 33702—33709 |
15 | Zhou Y. H., Study on the Performance and Dyeing and Finishing Process of Dralon Fiber, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai, 2015(周月红. 德绒(Dralon)纤维的性能及其染整工艺研究, 上海: 上海工程技术大学, 2015) |
16 | Zhang M., Lin Y. Q., Lin T. T., China Textile Leader, 2018, 900(11), 87—89(张梅, 蔺亚琴, 林田田. 纺织导报, 2018, 900(11), 87—89) |
17 | Huang X. Y., Zhao J., Knit. Ind., 2015,(11), 1—5(黄小云, 赵婧. 针织工业, 2015, (11), 1—5) |
18 | Liu S. P., Liu R. T., Han K. Q., Liu H., Yu M. H., Polym. Eng. Sci., 2016, 56(11), 1313—1318 |
19 | Dang W., Jie L., Huang X. H., Liang J. Y., Wang C. H., Miao P., An Y. Z., Polymers, 2018, 10(9), 943—951 |
20 | Tan L. J., Wan A., Mater. Lett., 2011, 65(19/20), 3109—3111 |
21 | Liu W. H., Wang M. H., Zhang W. F., Zhang W. L., Wu Z. G., Polym. Mater. Sci. Eng., 2015, 31(5), 51—55(刘伟华, 王谋华, 张文发, 张文礼, 吴国忠. 高分子材料科学与工程, 2015, 31(5), 51—55) |
22 | Lin X., Wang C. G., Yu M. J., Lin Z. T., Adv. Mater. Res., 2013, 781—784, 2609—2613 |
23 | Zhao W. Z., Lu Y. G., Jiang J. Q., Hu L. Y., Zhou L. X., RSC Adv., 2015, 5(30), 23508—23518 |
24 | Gao Y. J., Structure of Irradiated PAN Original Fiber and The Influence on Preoxidation Process, Beijing University of Chemical Technology, Beijing, 2015(高益军. 辐照PAN原丝结构及其对预氧化进程的影响, 北京: 北京化工大学, 2015) |
25 | Zhao W. Z., The Effects of Gamma Ray on Cyclization and Cross⁃linking of Polyacrylontrile Fibers and Structure and Properties of Carbon Fibers, Donghua University, Shanghai, 2016(赵卫哲. γ射线辐照对聚丙烯腈纤维环化交联及碳纤维结构与性能的影响, 上海: 东华大学, 2016) |
26 | Liu X. R., Makita Y., Hong Y. L., Nishiyama Y., Miyoshi T., Macromolecules., 2017, 50(1), 244—253 |
27 | Fanous J., Wegner M., Grimminger J., Rolff M., Spera M. B. M., Tenzer M., Buchmeiser, M. R., J. Mater. Chem., 2012, 22(43), 23240—23245 |
28 | Peng H. F., Wang X. R., Zhao Y., Tan T. Z., Bakenov Z., Zhang Y. G., Polymers, 2018, 10(4), 399—408 |
29 | Jerez A. P. L., Chemes D. M., Sham E. L., Davies L. E., Tesio A. Y., Flexer V., ChemistrySelect., 2020, 5(18), 5465—5472 |
30 | Jin Z. Q., Liu Y. G., Wang W. K., Wang A. B., Hu B. W., Shen M., Gao T., Zhao P. C., Yang Y. S., Energy Storage Mater., 2018, 14, 272—278 |
31 | Wei S. Y., Ma L., Hendrickson K. E., Tu Z. Y., Archer L. A., J. Am. Chem. Soc., 2015, 137(37), 12143—12152 |
32 | Chen H. W., Wang C. H., Hu C. J., Zhang J. S., Gao S., Lu W., Chen L. W., J. Mater. Chem. A, 2015, 3(4), 1392—1395 |
[1] | 孙竹梅 傅杰 李鑫 王海芳 卢静 童天星 朱明飞 王云燕. 电吸附除氯过程电化学阻抗谱及动力学研究[J]. 高等学校化学学报, 0, (): 20220528. |
[2] | 陈佳琪 程晚亭 温秋慧 韩静茹 马福秋 颜永得 薛云. 活性炭电极的改性及其对Co2+、Mn2+、Ni2+的电吸附性能研究[J]. 高等学校化学学报, 0, (): 20220598. |
[3] | 刘杰, 李金晟, 柏景森, 金钊, 葛君杰, 刘长鹏, 邢巍. 降低直接甲醇燃料电池浓差极化的含磺化碳管阻水夹层的构建[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(11): 20220420. |
[4] | 刘坤, 尹远, 耿文强, 夏昊天, 李华. 不同组分过渡金属氧化物催化剂对介质阻挡放电固氮的影响机制[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(11): 20220278. |
[5] | 丁钦, 张梓轩, 徐培程, 李晓宇, 段莉梅, 王寅, 刘景海. Cu, Ni, Co掺杂对Fe碳纳米管的结构及电催化性能的影响[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(11): 20220421. |
[6] | 何宇婧, 李佳乐, 王东洋, 王福玲, 肖作旭, 陈艳丽. 锌活化Fe/Co/N掺杂的生物质碳基高效氧还原催化剂[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(11): 20220475. |
[7] | 胡平澳 张琪 张会茹. 锂硫电池中硒缺陷WSe2催化性能理论预测[J]. 高等学校化学学报, 0, (): 20220595. |
[8] | 吴钰洁 黄文治 潘俊达 石凯祥 刘全兵. “蛋黄-蛋壳”结构纳米反应器的设计、调控及其在锂硫电池正极中的应用研究[J]. 高等学校化学学报, 0, (): 20220619. |
[9] | 张玲玲 董欢欢 何祥喜 李丽 李林 吴星樵 侴术雷. 中空碳材料用于钠离子电池负极的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 0, (): 20220620. |
[10] | 侯从聪, 王惠颖, 李婷婷, 张志明, 常春蕊, 安立宝. N-CNTs/NiCo-LDH复合材料的制备及电化学性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220351. |
[11] | 姜宝正, 黄文婷, 刘文宝, 郭荣胜, 徐成俊, 康飞宇. 纳米铜修饰三维锌网电极的制备及锌离子电池负极的电化学性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220257. |
[12] | 刘坤, 左杰, 李华, 项红甫, 冉从福, 杨明昊, 耿文强. 电子能量对沿面介质阻挡放电等离子体化学产物的影响[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220249. |
[13] | 王鹏飞, 富文豪, 孙少妮, 曹学飞, 袁同琦. 纤维素纳米晶模板法制备多级孔炭材料及其电化学性能[J]. 高等学校化学学报, 0, (): 20220497. |
[14] | 胡诗颖 沈佳艳 韩峻山 郝婷婷 李星. CoO纳米颗粒/石墨烯纳米纤维复合材料的制备及其电化学性能[J]. 高等学校化学学报, 0, (): 20220462. |
[15] | 王茹玥, 魏呵呵, 黄凯, 伍晖. 单原子材料的冷冻合成[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220428. |
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