多孔炭及其復(fù)合材料的制備與電化學(xué)性能研究.pdf

1、當(dāng)今化石能源的過(guò)度消耗促使人們把目光轉(zhuǎn)向了清潔能源開發(fā)，以緩解化石能源危機(jī)。能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換器件是能否高效利用清潔能源的關(guān)鍵。炭材料在清潔和可持續(xù)能源技術(shù)中起著非常重要的作用，多孔炭作為炭材料中重要的一員，擁有較大的比表面積、高導(dǎo)電率、孔結(jié)構(gòu)可調(diào)控、來(lái)源廣泛、價(jià)廉易得、物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，受到了國(guó)內(nèi)外科研者的廣泛關(guān)注。本論文將多孔炭及其與碳納米管的復(fù)合物作為電化學(xué)電容器和鋰離子電池的活性物質(zhì)。運(yùn)用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM

2、)、比表面積測(cè)試(BET)、X-射線衍射(XRD)、X射線光電子能譜(XPS)和紅外光譜(IR)等手段對(duì)多孔炭及其復(fù)合物的組成、結(jié)構(gòu)、形貌進(jìn)行了表征，運(yùn)用交流阻抗(EIS)、循環(huán)伏安法(CV)和恒流充放電(CD)等技術(shù)對(duì)多孔炭及其復(fù)合物進(jìn)行了電化學(xué)性能評(píng)價(jià)。系統(tǒng)地研究了多孔炭及其復(fù)合物的制備方法、形貌、結(jié)構(gòu)及其電化學(xué)性能，且達(dá)到了預(yù)期的研究目的。
　　前言部分簡(jiǎn)單介紹了炭材料的分類及炭材料的優(yōu)點(diǎn)，著重介紹了多孔炭的制備方法，多孔炭

3、的改性方法以及多孔炭在電化學(xué)方面的主要應(yīng)用。
　　首先，以冷凍干燥獲得的多孔胡蘿卜為碳源，經(jīng)過(guò)600 ℃氮?dú)夥諊绿炕蚄OH活化，獲得了多孔結(jié)構(gòu)的炭材料。結(jié)果表明：通過(guò)活化處理，多孔炭的比表面積從7.0 m2 g-1大幅提高到147.2 m2 g-1。而且，活化后的多孔炭產(chǎn)生了414 F g-1的最大比電容，且電流增至4 Ag-1時(shí)的電容保持率為74.5％。而未活化的多孔炭最大電容為253 F g-1，電容保持率僅為45.1%。

4、此外，活化后的多孔炭還具有優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性。在5 A g-1電流下循環(huán)8000圈后，其電容保持率高達(dá)94%。活化后的多孔炭在電容性能方面的極大改善與其比表面積的大幅提高及介孔的增多有密切關(guān)系。
　　其次，通過(guò)共熱解廉價(jià)的三聚氰胺和聚乙二醇前驅(qū)體，然后刻蝕除去氧化鎂這一簡(jiǎn)單有效的方法制備了交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氮摻雜多孔炭材料。系統(tǒng)的研究了聚乙二醇-氧化鎂-三聚氰胺的比例以及熱解溫度對(duì)多孔炭的形貌、結(jié)構(gòu)和組成的影響。結(jié)果表明，多孔炭的電化

5、學(xué)電容行為可以通過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)整各組分的比例和熱解溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)聚乙二醇-氧化鎂-三聚氰胺的比例為10:7:3，熱解溫度為700 ℃時(shí)材料表現(xiàn)為交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，具有最高的比表面積370.8 m2 g-1和1.65 cm-3 g-1的總孔容，8.54 at.%的含氮量，以及保存完好的孔結(jié)構(gòu)。這些優(yōu)點(diǎn)有助于其在1 A-1的電流密度下獲得485 F g-1的高比電容，同時(shí)具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，在5 A g-1電流密度下經(jīng)過(guò)8000循環(huán)后，材料的

6、比電容并沒(méi)有衰減?；谠蟻?lái)源廣泛，制備方法簡(jiǎn)單和電化學(xué)性能優(yōu)異，這種具有分級(jí)結(jié)構(gòu)孔道結(jié)構(gòu)的氮摻雜網(wǎng)絡(luò)狀炭材料有望在實(shí)際中得到應(yīng)用。
　　最后，探索制備了多孔炭/碳納米管復(fù)合材料。以上一章制備的多孔炭為基礎(chǔ)通過(guò)在前驅(qū)體中添加不同比例的碳納米管，經(jīng)炭化-酸刻蝕氧化鎂后成功制備出一系列多孔炭/碳納米管復(fù)合材料。物性測(cè)試結(jié)果顯示，多孔炭和碳納米管之間形成了比較理想的復(fù)合結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有較大的比表面積，最高可以達(dá)到1015.2 m2 g-1