酚醛樹(shù)脂基納米孔炭的自活化法制備、調(diào)控及性能研究.pdf

1、本論文從碳前軀體的分子工程學(xué)設(shè)計(jì)出發(fā)，以酚醛樹(shù)脂為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)合成氮硫摻雜酚醛樹(shù)脂酚鹽或烷氧基取代酚醛樹(shù)脂，通過(guò)以-O-K+形式存在的單分散K+或樹(shù)脂酚環(huán)上烷氧基為造孔劑，直接熱解制備微孔分布集中的納米孔炭材料，利用樹(shù)脂酚環(huán)上不同鏈長(zhǎng)烷氧基的空間效應(yīng)差別，實(shí)現(xiàn)碳材料微孔尺寸的精確調(diào)控。研究碳材料微孔尺寸與烷氧基空間效應(yīng)之間的關(guān)系，揭示酚醛樹(shù)脂基碳材料微孔尺寸的調(diào)控規(guī)律。并研究了所制備碳材料在超級(jí)電容器中的應(yīng)用。具體研究為：
　　1.

2、集中分布的微孔孔道和雜原子摻雜是提升多孔炭材料電容性能的關(guān)鍵因素。我們以3-胺基酚和3-羥基苯硫酚為原料，KOH同時(shí)作為活化劑和催化劑前體，制備了3-氨基酚-3-羥基苯硫酚樹(shù)脂鉀鹽。進(jìn)而以其為碳前軀體，直接熱解制備了具有集中微孔分布的 N，S-共摻雜多孔炭材料。利用 SEM、TEM、氮?dú)馕?、XPS、EDS等技術(shù)手段對(duì)所制備多孔炭的孔隙結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的表征。研究發(fā)現(xiàn)，在酚醛樹(shù)脂中以-O-K+形式單分散的 K+起到了―原位自

3、活化‖作用，創(chuàng)造了發(fā)達(dá)的高度均一、相互交聯(lián)、短孔程的超微孔。兩種酚反應(yīng)底物的比例是影響酚醛樹(shù)脂凝膠的微觀形貌和所制備碳材料的孔隙結(jié)構(gòu)及表面元素分布的關(guān)鍵因素。通過(guò)調(diào)節(jié)3-胺基酚和3-羥基苯硫酚的比例，分別獲得了純微孔炭和微孔-介孔多級(jí)孔炭。
　　2.研究了所制備N，S-共摻雜微孔炭和多級(jí)孔炭在KOH和H2SO4電解液中的電容性能。研究發(fā)現(xiàn)，碳材料的電容性能受到孔隙結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)特性的共同影響，而酚類的比例和碳化溫度是決定孔隙結(jié)構(gòu)和

4、表面化學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵制備條件。豐富的N，S，O官能團(tuán)引入了較多的贗電容效應(yīng)，集中分布且孔程較短的微孔孔道保證了電解質(zhì)離子在材料孔隙中的快速傳輸，因此在KOH電解液中獲得了較好的比電容值和功率特性。在 KOH電解液中，SNC-3:1-600和 SNC-1:1-700的比電容值超過(guò)250 F g-1，在0.2~20 A g-1范圍內(nèi)，其電容保持率超過(guò)60%。由于H2SO4電解液的導(dǎo)電離子尺寸遠(yuǎn)大于KOH電解液的導(dǎo)電離子尺寸，并且H2SO4電解

5、液電導(dǎo)率較小，因此所制備碳材料在H2SO4電解液中電容性能較差。
　　3.以間苯三酚、1-溴乙烷、1-溴代環(huán)己烷、1-溴庚烷、甲醛為原料，分別制備了烷氧基取代酚醛樹(shù)脂。以其為碳前軀體，直接熱解制備了孔分布集中的超微孔炭，并在KOH電解液中研究了其電容性能。研究表明，利用不同鏈長(zhǎng)的取代基可以有效的制備孔分布集中的超微孔炭，以乙基、庚基和環(huán)己基為取代基的酚醛樹(shù)脂基多孔炭的孔徑分別為0.52、0.54和0.58 nm。說(shuō)明通過(guò)調(diào)控烷氧基