用于超级电容器的三聚氰胺基聚合物纳米纤维

《Polymer》：Melamine-based Polymer Nanofibers for Supercapacitors

合成与表征了 melamine-glutaraldehyde (MAGA) 与 polymethyl methacrylate (PMMA) 的纳米纤维复合材料，并评估其作为超级电容器电极的性能。通过溶胀法制备的复合纳米纤维在5% MAGA负载下，在1 A/g电流密度下表现出1377.5 F/g的高比电容，循环7000次后电容保持率高达98%，证实了其优异的电化学性能和可持续性。

　　本研究探讨了以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为基材，通过电纺技术合成并制备了基于三聚氰胺-戊二醛（MAGA）的聚合物复合纤维。这些纤维被设计用于超级电容器中，以提升其能量存储性能。MAGA聚合物的合成过程采用了溶热法，通过将三聚氰胺与戊二醛在特定条件下进行反应，生成具有特定化学结构的MAGA化合物。随后，MAGA与PMMA按照不同比例（2.5%、5%、10 wt.%）进行混合，并通过电纺技术生成纤维。这些纤维不仅具有高比表面积和良好的孔隙结构，还能够作为自支撑电极材料，无需额外的粘结剂或导电添加剂，从而简化了电极的制备流程。

为了验证MAGA-PMMA复合纤维的合成效果，研究人员采用了多种表征手段，包括X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）。这些表征结果表明，MAGA化合物成功地与PMMA结合，并在纤维结构中形成了均匀的分布。XRD图谱显示，MAGA的加入改变了复合材料的结晶特性，PMMA的非晶态特性使得复合纤维整体呈现较低的结晶度。FT-IR分析则进一步确认了MAGA与PMMA之间的化学相互作用，特别是在某些波数区域的吸收峰变化，反映了氢键和偶极相互作用的存在。SEM和TEM图像则直观地展示了纤维的形态和尺寸分布，其中5% MAGA-PMMA纤维表现出更小的直径（约250 nm），并且具有较为均匀的纤维网络结构。

在电化学性能方面，研究团队使用了循环伏安法（CV）、恒电流充放电（GCDC）和线性扫描伏安法（LSV）对制备的电极材料进行了评估。结果表明，5% MAGA-PMMA复合纤维在1 A/g的电流密度下展现出最高的比电容（1377.5 F/g），同时在7000次循环后仍能保持98%的电容保持率，显示出优异的循环稳定性和高能量存储效率。这些数据表明，MAGA-PMMA纳米纤维在超级电容器的应用中具有巨大的潜力。相较于传统的电极材料，这种材料无需使用溶剂和粘结剂，简化了制备过程，同时提升了导电性和结构稳定性，使其成为一种可持续且环保的电极材料选择。

超级电容器因其高比电容和快速充放电能力，在可穿戴电子设备和高性能储能系统中得到了广泛应用。传统的电极制备方法通常需要将活性材料与导电添加剂（如乙炔黑或碳黑）和粘结剂（如PVDF）混合，以提高电极的导电性和结构稳定性。然而，这些附加成分可能会引入额外的电阻，影响电极的长期性能。此外，活性材料在溶剂中的混合过程不仅耗时，还可能对环境造成负担。因此，本研究提出了一种无需粘结剂和额外导电材料的电极制备方法，直接将MAGA-PMMA纳米纤维作为电极材料，提高了电极的导电性，并保证了其结构的完整性。

为了进一步验证MAGA-PMMA纳米纤维的电化学性能，研究团队采用了一种三电极配置，使用6 M KOH作为电解液，铂网作为对电极，汞/氧化汞电极为参比电极。CV曲线显示，随着扫描速率的增加，电极的氧化还原峰逐渐变宽，表明材料在高电流密度下具有良好的电荷存储动力学和离子扩散能力。GCDC曲线则表明，在较低的电流密度下，5% MAGA-PMMA电极表现出最长的放电时间，显示出较高的电荷存储效率。相比之下，10% MAGA-PMMA电极由于活性材料的聚集和电阻增加，表现出较低的比电容。而2.5%的电极虽然在低电流密度下具有较高的比电容，但在高电流密度下电容下降明显，表明其在快速充放电条件下存在一定的限制。

LSV曲线则进一步揭示了MAGA-PMMA电极在不同电位范围内的电化学行为。结果表明，5% MAGA样品在较高电位下表现出最高的电流密度，显示出优异的导电性和电化学活性。而10%样品则因电极电阻增加和活性材料的聚集，导致电化学性能下降。这些结果表明，MAGA的加入量对电极的性能具有重要影响，5%的负载量能够实现导电性、孔隙率和活性材料分布之间的最佳平衡。

此外，研究团队还对电极的可回收性进行了测试。结果显示，5% MAGA-PMMA电极在7000次循环后仍能保持98%的电容保持率，显示出极高的循环稳定性。这种可回收性对于超级电容器的实际应用具有重要意义，因为其保证了电极在长期使用中的可靠性，同时避免了容量的显著下降。通过SEM图像观察电极在电化学测试后的形态变化，结果表明MAGA-PMMA纳米纤维在测试过程中保持了良好的结构完整性，进一步验证了其在实际应用中的稳定性。

在与其他材料的对比中，MAGA-PMMA纳米纤维表现出优异的电化学性能。例如，氮掺杂多孔碳纳米纤维（NPCNFs）在0.5 A/g的电流密度下比电容为335 F/g，但在10,000次循环后仅能保持80.5%的电容保持率。相比之下，MAGA-PMMA纳米纤维在1 A/g的电流密度下比电容为1377.5 F/g，并在70,000次循环后仍能保持98%的电容保持率，显示出更优越的性能。此外，CNFs/PANI/Au电极在0.5 A/g的电流密度下比电容为1144.5 F/g，但其循环稳定性仅为86.5%。而NiCo?O?@NC电极在1 A/g的电流密度下比电容为2000.6 F/g，但在5000次循环后仅能保持79.8%的电容保持率。这些对比结果进一步强调了MAGA-PMMA纳米纤维在超级电容器中的独特优势。

综上所述，本研究通过电纺技术成功制备了基于MAGA的纳米纤维，并在多种表征手段的支持下验证了其结构和电化学性能。实验结果表明，5% MAGA-PMMA复合纤维在电化学性能方面表现出最佳效果，其高比电容和优异的循环稳定性使其成为一种极具前景的超级电容器电极材料。此外，这种材料无需使用粘结剂和溶剂，简化了制备过程，同时提升了导电性和结构稳定性，使其在实际应用中具有更高的可行性。未来的研究可以进一步探索MAGA-PMMA纳米纤维在不同应用场景下的性能表现，并优化其制备工艺，以实现更广泛的应用。