化學活化法制備活性炭-納米碳摻雜材料的研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、活性炭具有發(fā)達的孔結構,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構碳材料,并通過調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物形態(tài)、結構及性能的影響,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。主要研究內容如下:
   1.系統(tǒng)研究了工藝條件對產物形態(tài)、結構及性能的影響,所研究的工藝條件包括預處理工藝(預氧化、預碳化、預氧化-預碳化)、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。結果表明:(1)預碳化-活化和預氧化-活化的產物中能形成較多的CNWs和CNTs;(2)所選用的三種硼化合物添加劑中NaBH4對形成納米碳結構最有效,B元素不是納米碳結構生成的決定性因素,NaBH4的加入會促

3、進納米碳結構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構的生成;(3)KOH配比對產物中納米結構的影響與原料中鈷的含量密切相關,鈷含量一定的條件下,增加KOH的含量,產物中的納米碳結構先增多后減少,鈷含量不同時,生成納米碳結構所需的KOH用量不同,隨著鈷含量的增加,制備納米碳結構所需要的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構的形成;(5)900℃熱處理是產物中形成

4、納米碳結構較適宜的溫度。
   2.通過控制工藝條件,制備出了兩種不同結構的活性炭/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.瀝青在化學活化中形成納米碳結構是一個新的科學現(xiàn)象,論文通過系統(tǒng)的研究結果初步對這一現(xiàn)象進行了科學解釋。研究結果表明,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,產生大量結構碎片,這些結構碎片在催化劑鈷的作用下發(fā)生結構重排,形成了具有良好石墨結晶結構的納米碳材料。當活化形成的結構碎片尺寸較大,并且鈷顆粒較大時趨于形成碳納米墻;當結構碎片尺寸較小,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極材料,測試結果表明: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極,并與天然石墨的電性能進行對比,結果表明,經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

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