炭氣凝膠的制備及在超級電容器中的應用.pdf

1、炭氣凝膠問世于上世紀八十年代末期，是一種具有獨特性質(zhì)的低密度、非晶態(tài)、納米多孔材料，其性質(zhì)和結(jié)構(gòu)可在納米尺度控制。與傳統(tǒng)的無機氣凝膠相比，炭氣凝膠具有生物相容性、可以生物降解、導電性及原子序數(shù)低等性質(zhì)，可用于高能物理、醫(yī)學、熱學、催化及電化學等領(lǐng)域。一經(jīng)問世就成為氣凝膠領(lǐng)域的研究熱點，但由于制備周期長，生產(chǎn)成本高，限制了其應用。本文從尋找新的合成原料、簡化制備工藝以及改善氣凝膠結(jié)構(gòu)等方面進行了研究，考察了炭氣凝膠結(jié)構(gòu)的影響因素，采用低溫

2、N<,2>吸附、TG、SEM和IR等手段表征了炭氣凝膠的微結(jié)構(gòu)，并將炭氣凝膠作為超級電容器電極材料進行研究。 以間苯二酚(R)和甲醛(F)為原料，碳酸鈉(Cat)為催化劑，經(jīng)溶膠-凝膠聚合、溶劑置換和常壓干燥得到暗紅色無裂紋的塊狀RF有機氣凝膠，在惰性氣氛下經(jīng)高溫炭化后得到炭氣凝膠。在有機氣凝膠的制備工藝中，通過調(diào)變反應物濃度和催化劑濃度控制氣凝膠性質(zhì)：隨著催化劑濃度的降低，氣凝膠密度變小，比表面積降低，孔徑分布變寬。通過進一步

3、活化對炭氣凝膠的孔隙結(jié)構(gòu)進行調(diào)節(jié)，考察了反應物濃度S=40％，催化劑濃度R/Cat=500 條件下制備的炭氣凝膠在850℃下CO<,2>活化時間對炭氣凝膠孔隙結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)在此溫度下活化3 h得到的炭氣凝膠具有最高的比表面積。實驗中首次通過向反應物體系中添加乙醇來實現(xiàn)對氣凝膠孔隙結(jié)構(gòu)的調(diào)變，隨著乙醇添加量的增加，炭氣凝膠比表面積和微孔表面積降低，外表面積增加，炭氣凝膠孔徑變小。 以廉價的混合甲苯酚(Cm)為原料，與甲醛在NaO

4、H(Cat)催化劑下經(jīng)溶膠．凝膠和常壓干燥過程制備有機氣凝膠，炭化后得到CmF炭氣凝膠。氮吸附表征結(jié)果顯示炭氣凝膠具有較高的比表面積，具有典型的中孔特征。對在反應物中水(W)與Cm比(W/Cm)為10，Cm/Cat=60 條件下制備的炭氣凝膠進行CO<,2>活化改性，考察了活化溫度和活化時間對炭氣凝膠孔隙結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)活化溫度在800～900℃之間活化時間為1 h時，隨活化溫度的提高，活化效果增強；在活化溫度為900℃時，活化2 h得

5、到的炭氣凝膠具有最高的比表面積，為1418 m<'2>/g儋，繼續(xù)增加活化時間對炭氣凝膠的孔隙結(jié)構(gòu)影響變小。 以RF炭氣凝膠和CmF炭氣凝膠作為超級電容器電極材料進行了電化學測試。結(jié)果表明，所用炭氣凝膠在30％KOH水溶液中表現(xiàn)出良好的電容特性，在1 mA/cm<'2>電流密度下恒流充放電，RF 炭氣凝膠和CmF炭氣凝膠的質(zhì)量比電容分別為107 F/g和78 F/g；經(jīng)CO<,2>活化后比電容顯著提高，S=40，R/Cat=50

6、0制備的RF炭氣凝膠在850℃下CO<,2>活化3 h，比電容達到188 F/g，W/Cm=10，Cm/Cat=60條件下制備的CmF炭氣凝膠在900℃活化2 h后比電容達到146 F/g。充放電循環(huán)性能測試結(jié)果顯示RF炭氣凝膠在20mA/cm<'2>電流密度下2000次充放電后比電容基本保持不變，顯示極好的循環(huán)壽命。 以間苯二酚和甲醛為原料，在KOH催化劑下經(jīng)溶膠．凝膠聚合過程制備水凝膠，經(jīng)常壓干燥后得到有機干凝膠，有機干凝膠

7、在惰性氣氛下高溫炭化，干凝膠中KOH在炭化過程中起到活化劑作用，得到高比表面積多孔炭材料。樣品比表面積隨催化劑KOH量的增加而增大，當KOH與間苯二酚質(zhì)量比為4，炭化溫度為700℃時，所得樣品比表面積高達2760 m<'2>/g，當KOH與間苯二酚質(zhì)量比為2時，炭化溫度為650～800℃所得樣品具有相似的孔隙結(jié)構(gòu)，大于800℃，KOH活化效果增強，樣品比表面積增大。以該方法制備的多孔炭材料作為超級電容器電極材料進行了電化學測試。結(jié)果顯示

8、，在30％KOH水溶液中表現(xiàn)出良好的電容特性。炭化溫度為700℃，KOH與間苯二酚質(zhì)量比為2時所得材料，在1 mA/cm<'2>電流密度下恒流充放電，具有最高的比電容，達到294F/g，而且隨電流密度增大的衰減很小，適合于大電流、大功率充放電；電極在1000次循環(huán)后質(zhì)量比電容衰減只有4％，說明具有很好的循環(huán)壽命。炭化溫度影響材料的表面性質(zhì)，較低溫度下得到的樣品由于準電容效應較強，使得其質(zhì)量比電容較高，隨炭化溫度的提高，多孔炭材料電極的漏