化學(xué)活化法制備活性炭-納米碳摻雜材料的研究.pdf

1、活性炭具有發(fā)達的孔結(jié)構(gòu)，而納米碳材料，如碳納米管(CNTs)、碳納米墻(CNWs)等，具備獨特的物化性能。本文旨在制備一種新型的多層次結(jié)構(gòu)碳材料，并通過調(diào)整工藝使所制備材料兼?zhèn)浠钚蕴亢图{米碳材料兩種材料的優(yōu)點。論文以含鈷瀝青為原料，KOH為活化劑，通過化學(xué)活化法，原位合成了活性炭/碳納米墻和活性炭/碳納米管兩種摻雜材料，研究了工藝條件對產(chǎn)物形態(tài)、結(jié)構(gòu)及性能的影響，初步探討了摻雜材料的形成機理，并將摻雜材料用于電極材料，考察了其電容性能和

2、儲鋰性能。主要研究內(nèi)容如下:
　　 1.系統(tǒng)研究了工藝條件對產(chǎn)物形態(tài)、結(jié)構(gòu)及性能的影響，所研究的工藝條件包括預(yù)處理工藝（預(yù)氧化、預(yù)碳化、預(yù)氧化-預(yù)碳化）、硼化合物添加劑的種類及含量、KOH配比、鈷化合物種類及含量、活化溫度。結(jié)果表明:(1)預(yù)碳化-活化和預(yù)氧化-活化的產(chǎn)物中能形成較多的CNWs和CNTs;(2)所選用的三種硼化合物添加劑中NaBH4對形成納米碳結(jié)構(gòu)最有效，B元素不是納米碳結(jié)構(gòu)生成的決定性因素，NaBH4的加入會促

3、進納米碳結(jié)構(gòu)的生成是因為其具有強還原性并可釋放H2，過多的NaBH4反而不利于納米碳結(jié)構(gòu)的生成;(3)KOH配比對產(chǎn)物中納米結(jié)構(gòu)的影響與原料中鈷的含量密切相關(guān)，鈷含量一定的條件下，增加KOH的含量，產(chǎn)物中的納米碳結(jié)構(gòu)先增多后減少，鈷含量不同時，生成納米碳結(jié)構(gòu)所需的KOH用量不同，隨著鈷含量的增加，制備納米碳結(jié)構(gòu)所需要的KOH的含量增加;(4)與乙酸鈷相比，納米氫氧化亞鈷更有利于活化過程中納米碳結(jié)構(gòu)的形成;(5)900℃熱處理是產(chǎn)物中形成

4、納米碳結(jié)構(gòu)較適宜的溫度。
　　 2.通過控制工藝條件，制備出了兩種不同結(jié)構(gòu)的活性炭/納米碳摻雜材料，其中活性炭/碳納米管摻雜材料中含有大量直徑介于100～350nm之間，長度介于10～25um之間的CNTs;活性炭/碳納米墻摻雜材料中含有大量厚度為15～20nm，寬度為1～2μm的CNWs。
　　 3.瀝青在化學(xué)活化中形成納米碳結(jié)構(gòu)是一個新的科學(xué)現(xiàn)象，論文通過系統(tǒng)的研究結(jié)果初步對這一現(xiàn)象進行了科學(xué)解釋。研究結(jié)果表明，活性

5、炭/納米碳摻雜材料的形成機理是碳材料在KOH高溫刻蝕作用下，產(chǎn)生大量結(jié)構(gòu)碎片，這些結(jié)構(gòu)碎片在催化劑鈷的作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)重排，形成了具有良好石墨結(jié)晶結(jié)構(gòu)的納米碳材料。當(dāng)活化形成的結(jié)構(gòu)碎片尺寸較大，并且鈷顆粒較大時趨于形成碳納米墻;當(dāng)結(jié)構(gòu)碎片尺寸較小，且鈷顆粒較小時趨向于形成碳納米管。
　　 4.首次將活性炭/碳納米墻摻雜材料(AC/CNWs)用于鋰離子二次電池和超級電容器(EDLS)電極材料。電容測試結(jié)果表明:電流密度為0.02A/

6、g和5A/g時材料的比電容最高可達143F/g和116F/g，在0.1A/g的電流密度下循環(huán)500次后比電容最高為140F/g。將其用于鋰離子二次電池負(fù)極材料，測試結(jié)果表明:該材料首次充放電效率較低，2C大電流循環(huán)100次后，材料的放電比容量最高為91mAh/g。
　　 5.將活性炭/碳納米管摻雜材料(AC/CNTs)用做超級電容器電極，測試表明:制備的活性炭/碳納米管摻雜材料具有良好的電容特性和較高的比容量，電流密度為0.02

7、A/g時，比電容最高為184F/g，電流密度為2A/g時，比電容最高為140F/g，在0.1A/g的電流密度下循環(huán)500次后比電容最高可達158F/g。
　　 6.采用兩種方法制備了活性炭/碳納米管/石墨摻雜材料(AC/CNTsG)，并將其用于鋰離子二次電池負(fù)極，并與天然石墨的電性能進行對比，結(jié)果表明，經(jīng)過摻雜能顯著提高石墨的倍率性能，其中將石墨與含鈷瀝青混合后用KOH活化的方式原位制備的摻雜材料具有優(yōu)異的倍率性能和穩(wěn)定的循環(huán)性