泡沫碳基碳質(zhì)電極材料的制備及其電化學(xué)性能.pdf

1、碳質(zhì)電極是最早進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)并一直沿用至今的超級(jí)電容器電極材料，其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在高的比表面積和優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性方面。泡沫碳作為典型的3D網(wǎng)狀分級(jí)多孔碳質(zhì)材料，在超級(jí)電容器、鋰離子電池等領(lǐng)域表現(xiàn)出極大的應(yīng)用前景。但由于泡沫碳傳統(tǒng)模板法制備技術(shù)的局限性，其孔尺寸分布范圍較窄，多以微米級(jí)孔(100-200μm)為主，比表面積難以滿足超級(jí)電容器的需求。因此，從泡沫碳的制備技術(shù)出發(fā)，改善其孔尺寸分布，并針對(duì)其微米孔進(jìn)行修飾，提高比表面積，是實(shí)現(xiàn)分

2、級(jí)多孔泡沫碳電極在超級(jí)電容器中應(yīng)用的關(guān)鍵?；诖?，本論文提出以本征具有多尺寸分布特征的液相泡沫為軟模板，結(jié)合微波固化及冷凍固化技術(shù)制備分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)泡沫碳，并在泡沫碳的制備過(guò)程中，將催化劑前驅(qū)體和氧化石墨烯引入樹(shù)脂體系，通過(guò)催化劑高溫催化作用和水熱技術(shù)于泡沫碳孔壁上原位生長(zhǎng)碳納米管和石墨烯氣凝膠，實(shí)現(xiàn)泡沫碳微米級(jí)孔的修飾，提高比表面積。具體研究結(jié)果如下:
　　(1)以液相泡沫為軟模板，結(jié)合微波固化法和冷凍固化法制備出微波固化泡沫碳(

3、W-CF)和冷凍固化泡沫碳(F-CF)，系統(tǒng)研究了炭化溫度對(duì)兩種固化方式得到的泡沫碳的結(jié)構(gòu)及電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:經(jīng)微波固化和冷凍固化處理，W-CF和F-CF試樣均較好的保存了液相泡沫原有的多尺寸分布孔結(jié)構(gòu)，且在泡沫碳微米孔內(nèi)壁形成了一定量樹(shù)脂裂解產(chǎn)生的納米孔;隨著炭化溫度升高，兩種泡沫碳試樣的比表面積和比電容量均呈降低趨勢(shì);炭化溫度為800℃時(shí)，W-CF和F-CF試樣的比電容達(dá)到最大，在0.5A/g電流密度下比電容分別為135.

4、5F/g和120.9F/g。
　　(2)在(1)的基礎(chǔ)上，引入催化劑前驅(qū)體，通過(guò)高溫催化作用在泡沫碳孔壁上原位生長(zhǎng)一維碳納米管，對(duì)其孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾。結(jié)果表明:對(duì)于碳納米管修飾微波固化泡沫碳，其仍然保持分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)。炭化溫度升高時(shí)，泡沫碳的比表面積、平均孔徑增大，比電容隨之增大，內(nèi)阻減小。當(dāng)增加催化劑量時(shí)，泡沫碳中催化生長(zhǎng)出的碳納米管量增加，但比電容有所降低。在炭化溫度為1200℃，催化劑量為1wt％時(shí)，碳納米管修飾微波固化泡沫碳獲

5、得最大的比表面積及比電容，分別為277.4m2/g和53.1F/g。對(duì)于碳納米管修飾冷凍固化泡沫碳，當(dāng)升高炭化溫度時(shí)，其比表面積、平均孔徑等略有提升，但其比電容變小，內(nèi)阻增大。當(dāng)催化劑量增加時(shí)，泡沫碳的孔中催化生長(zhǎng)出的碳納米管增多，此時(shí)泡沫碳的比表面積、比電容均有所提升。在炭化溫度為1000℃，催化劑加入量為2wt％時(shí)，碳納米管修飾冷凍固化泡沫碳獲得最大的比表面積及比電容，分別為160.5m2/g和66.1F/g。
　　(3)在(

6、1)中泡沫碳制備的基礎(chǔ)上，分別采用模板法和溶膠-凝膠法制備石墨烯氣凝膠修飾分級(jí)多孔泡沫碳，系統(tǒng)的研究?jī)煞N方法制備出的泡沫碳的結(jié)構(gòu)與性能。結(jié)果表明:在模板法制備的石墨烯氣凝膠修飾泡沫碳(W-CF/GA1和F-CF/GA1)中，多孔結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠填充在泡沫碳的孔中，對(duì)泡沫碳的孔進(jìn)行修飾，使泡沫碳的石墨化程度提高，表面積顯著提升，最終使其電化學(xué)性能得到改善。模板法制備的兩種泡沫碳的比表面積分別為559.7m2/g和981m2/g，比電容分

7、別為0.5A/g下158F/g和178.5F/g。在溶膠-凝膠法制備的石墨烯氣凝膠修飾泡沫碳（W-CF/GA2和F-CF/GA2）中，多孔結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠同樣填充在泡沫碳的孔中與泡沫碳之間結(jié)合較為緊密，對(duì)泡沫碳的孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾改善，提高泡沫碳的石墨化程度，明顯提高泡沫碳的比表面積及比電容，降低電極材料的內(nèi)阻。溶膠-凝膠法制備的W-CF/GA2和F-CF/GA2的比表面積分別為785.8m2/g和737.6m2/g，比電容分別為0.5A