多孔炭及其復合材料的制備與電化學性能研究.pdf

1、當今化石能源的過度消耗促使人們把目光轉向了清潔能源開發(fā)，以緩解化石能源危機。能量存儲和轉換器件是能否高效利用清潔能源的關鍵。炭材料在清潔和可持續(xù)能源技術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、高導電率、孔結構可調控、來源廣泛、價廉易得、物理和化學性質穩(wěn)定等優(yōu)點，受到了國內外科研者的廣泛關注。本論文將多孔炭及其與碳納米管的復合物作為電化學電容器和鋰離子電池的活性物質。運用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM

2、)、比表面積測試(BET)、X-射線衍射(XRD)、X射線光電子能譜(XPS)和紅外光譜(IR)等手段對多孔炭及其復合物的組成、結構、形貌進行了表征，運用交流阻抗(EIS)、循環(huán)伏安法(CV)和恒流充放電(CD)等技術對多孔炭及其復合物進行了電化學性能評價。系統(tǒng)地研究了多孔炭及其復合物的制備方法、形貌、結構及其電化學性能，且達到了預期的研究目的。
　　前言部分簡單介紹了炭材料的分類及炭材料的優(yōu)點，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方面的主要應用。
　　首先，以冷凍干燥獲得的多孔胡蘿卜為碳源，經(jīng)過600 ℃氮氣氛圍下炭化和KOH活化，獲得了多孔結構的炭材料。結果表明：通過活化處理，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系。
　　其次，通過共熱解廉價的三聚氰胺和聚乙二醇前驅體，然后刻蝕除去氧化鎂這一簡單有效的方法制備了交聯(lián)網(wǎng)絡結構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多孔炭的形貌、結構和組成的影響。結果表明，多孔炭的電化

5、學電容行為可以通過簡單調整各組分的比例和熱解溫度進行調節(jié)。當聚乙二醇-氧化鎂-三聚氰胺的比例為10:7:3，熱解溫度為700 ℃時材料表現(xiàn)為交聯(lián)的網(wǎng)絡狀結構，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構。這些優(yōu)點有助于其在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8000循環(huán)后，材料的

6、比電容并沒有衰減?；谠蟻碓磸V泛，制備方法簡單和電化學性能優(yōu)異，這種具有分級結構孔道結構的氮摻雜網(wǎng)絡狀炭材料有望在實際中得到應用。
　　最后，探索制備了多孔炭/碳納米管復合材料。以上一章制備的多孔炭為基礎通過在前驅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/碳納米管復合材料。物性測試結果顯示，多孔炭和碳納米管之間形成了比較理想的復合結構，同時具有較大的比表面積，最高可以達到1015.2 m2 g-1