酚醛樹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)，以酚醛樹脂為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)合成氮硫摻雜酚醛樹脂酚鹽或烷氧基取代酚醛樹脂，通過以-O-K+形式存在的單分散K+或樹脂酚環(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，利用樹脂酚環(huán)上不同鏈長烷氧基的空間效應(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-介孔多級孔炭。
　　2.研究了所制備N，S-共摻雜微孔炭和多級孔炭在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250 F g-1，在0.2~20 A g-1范圍內(nèi)，其電容保持率超過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脂基多孔炭的孔徑分別為0.52、0.54和0.58 nm。說明通過調(diào)控烷氧基