煤基多孔炭材料的制備及其電容性能研究.pdf

1、多孔炭材料由于具有大的比表面積、可調(diào)的孔隙結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的耐熱、耐酸堿性和獨特的電子傳導性，而被廣泛應(yīng)用于儲能、吸附、催化等領(lǐng)域。如何利用優(yōu)質(zhì)、綠色、廉價的碳源制備性能優(yōu)異的多孔炭材料，已成為當前材料領(lǐng)域研究的熱點。在眾多碳源中，煤炭儲量豐富、含碳量高、價格低廉，成為了當前生產(chǎn)碳材料的重要原料。本論文以開發(fā)高附加值的煤基多孔炭材料為目標，選用新疆煙煤為原料，采用混酸液相氧化法對原煤進行改性處理，制備了能溶于水溶液的可溶性煤。再以可溶性煤為前

2、驅(qū)體，分別采用靜電紡絲、超聲霧化熱解、真空冷凍干燥法制備了煤基多孔炭材料。對可溶性煤在水溶液中的溶解性及溶解機理進行了系統(tǒng)研究，同時對制備的煤基多孔炭材料結(jié)構(gòu)、形貌進行分析，探討其形成機理，并考察了多孔炭材料在超級電容器方面的應(yīng)用。本文的主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下：
　?。?）利用混酸（濃硫酸和濃硝酸）對原煤進行改性處理，經(jīng)洗滌、干燥后得可溶性煤?？疾炝嗽擃惒牧显谒芤褐械娜芙庑裕治鎏接懥瞬煌愋捅砻婊钚詣┖蚿H值對溶解性的影響，研

3、究其溶解機理。結(jié)果表明，混酸作用下，原煤分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了氧化、磺化、硝化等反應(yīng)，分子結(jié)構(gòu)間連接較弱的鍵斷裂，煤大分子基本結(jié)構(gòu)單元基本保留，而分子邊緣、雜環(huán)或側(cè)鏈處引入了大量含氧官能團，通過含氧官能團與堿相互作用促使可溶性煤溶于水溶液。
　　（2）以可溶性煤為前驅(qū)體，聚乙烯醇（PVA）為助紡劑，采用靜電紡絲法制備了柔性煤基多孔炭纖維。研究了 PVA與可溶性煤的質(zhì)量比對煤基多孔炭纖維形貌、結(jié)構(gòu)及電化學性能的影響，探討了煤基多孔炭纖維的形

4、成機理。結(jié)果表明，炭纖維的比表面積隨著可溶性煤含量的增加而變大，PVA和可溶性煤質(zhì)量比為1:1時，電化學性能最好，電流密度為1Ag-1時，比電容為170Fg-1，同時該材料具有良好的電化學循環(huán)穩(wěn)定性。
　　（3）以可溶性煤的水溶液為前驅(qū)體，采用超聲霧化熱解法，成球、炭化和活化一步完成，制備了煤基多孔炭球。系統(tǒng)考察了溫度、堿源對煤基多孔炭球結(jié)構(gòu)、形貌和電化學性能的影響，探討了煤基多孔炭球的形成機理。結(jié)果表明，熱解溫度越高，比表面積和

5、總孔容就越大；相同熱解溫度下，KOH作為堿源，比表面積最大；十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）作為堿源制備的炭球電化學性能最佳，在三電極和兩電極體系，均具有良好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，當電流密度為1Ag-1時，比電容分別為227Fg-1和162Fg-1。
　?。?）以可溶性煤為原料，PVA為交聯(lián)劑，首先制備了煤基水溶膠，通過真空冷凍干燥法，制備了煤基炭氣凝膠。研究了溶液pH值、堿源對樣品形貌、結(jié)構(gòu)和電化學性能的影響，并探討了煤基炭氣凝膠