炭氣凝膠的制備及其結(jié)構(gòu)與雙電層電容特性的研究.pdf

1、本文采用溶膠.凝膠法,以間苯二酚(R)和甲醛(F)為原料,無水乙醇作溶劑,六次甲基四胺(HMTA)作催化交聯(lián)劑,通過常壓干燥和高溫炭化工藝制備炭氣凝膠。系統(tǒng)考察了催化交聯(lián)劑用量、溶劑用量、醛酚比、聚合反應(yīng)溫度及炭化升溫速率等工藝因素對炭氣凝膠的收率、比表面積和孔結(jié)構(gòu)的影響,確立了調(diào)控炭氣凝膠結(jié)構(gòu)和性能的工藝方法和工藝條件。此外,還采用磷酸活化法調(diào)整炭氣凝膠的孔結(jié)構(gòu),初步探討了磷酸活化對炭氣凝膠孔結(jié)構(gòu)和電容特性的影響。同時將制備的炭氣凝膠

2、用作雙電層電容器(Electric Double-layer Capacitor,簡稱EDLC)的電極材料,分別在30％KOH水溶液、1mol/L的LBC305和DLC307有機(jī)電解質(zhì)溶液中,采用直流充放電法、循環(huán)伏安法和交流阻抗法測試炭氣凝膠的電化學(xué)行為。探討了EDLC的電容特性與炭氣凝膠比表面積、孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系。
　　 研究結(jié)果表明,不同制備工藝均對炭氣凝膠的比表面積和孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。催化交聯(lián)劑六次甲基四胺在溶膠.凝膠過程中既

3、起催化作用又具有交聯(lián)作用,其交聯(lián)作用可以增加氣凝膠的網(wǎng)絡(luò)致密度,提高骨架強(qiáng)度,降低毛細(xì)張力,從而減少氣凝膠在常壓干燥時的網(wǎng)絡(luò)塌陷和破裂。
　　 炭氣凝膠的比表面積隨催化交聯(lián)劑用量或間苯二酚與六次甲基四胺的摩爾比(R/H)的增大而減小,控制適宜的催化交聯(lián)劑用量,可制得BET比表面積達(dá)685.9 m2/g的炭氣凝膠。隨著R/S(g/ml)值的增大,孔徑增大,中孔數(shù)量增多;隨著F/R摩爾比的增大,比表面積先增加后減小,孔徑分布以3-4

4、nm和20nm左右的中孔為主;聚合反應(yīng)溫度對炭氣凝膠中孔含量的影響較為明顯,反應(yīng)溫度較低時,以微孔為主,隨著聚合反應(yīng)溫度的增加,中孔含量增多;隨著炭化升溫速率的增加,比表面積逐漸減小,孔徑分布由多級孔結(jié)構(gòu)向微孔和中孔發(fā)展。不同制備工藝對炭氣凝膠的炭化收率影響不大,炭化收率均在50％左右。
　　 炭氣凝膠的比電容與比表面積和孔結(jié)構(gòu)分布有關(guān),在R/H值為50,R/S值為0.1g/ml,F/R比為2.0,聚合反應(yīng)溫度為80℃、炭化溫度

5、為900℃及炭化升溫速率為2℃/min的工藝條件下,制備的炭氣凝膠電極在30％KOH電解液中比電容最大可達(dá)176 F/g。
　　 隨著炭氣凝膠比表面積的增大,比容量也逐漸增大,但炭氣凝膠比容量的增加與其比表面積的增加并不呈簡單的直線關(guān)系,而是與其內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的分布有關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,中孔率太低或者太高的炭氣凝膠比容量都不高,只有微孔和中孔分布合理的炭氣凝膠才表現(xiàn)出較高的比電容。
　　 炭氣凝膠的循環(huán)伏安曲線均為類矩形且對稱

6、性良好,表明電極具有較好的可逆性,循環(huán)伏安曲線中不存在法拉第氧化.還原峰。隨著掃描速率的不斷增大,比電容逐漸減小。炭氣凝膠電極的交流阻抗譜圖是由高頻區(qū)的半圓、中頻區(qū)約45°的斜線和低頻區(qū)存在一定斜率的直線組成。炭氣凝膠電極的阻抗特性與其孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān),適當(dāng)?shù)闹锌缀坑兄谔岣唠娊赓|(zhì)離子在炭氣凝膠電極中的遷移速率,快速形成雙電層電容。
　　 以炭氣凝膠作電極的模擬EDLC具有良好的充放電性能和循環(huán)性能,既能在小電流密度下長時間慢速