嵌段共聚物炭化法制備結(jié)構(gòu)可控炭材料及電化學(xué)性能研究.pdf

1、本文綜述了超級(jí)電容器及其電極材料的最新研究進(jìn)展，重點(diǎn)對(duì)超級(jí)電容器炭材料的制備和表面改性等結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。對(duì)于雙電層電容器來說，系統(tǒng)研究炭材料的孔隙率和孔徑分布與超級(jí)電容性能關(guān)系，是一個(gè)非常重要的基礎(chǔ)科學(xué)問題。遺憾的是對(duì)于這一問題基本都止步于定性的說明或解釋，沒有有力的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這一方面是因?yàn)轶w系的復(fù)雜性，另一方面是由于炭材料結(jié)構(gòu)的不可控性。據(jù)此，本課題提出了嵌段共聚物高溫炭化法制備孔徑結(jié)構(gòu)精確可控的多孔炭電極材料的新方法

2、，并對(duì)所制備的電極材料電化學(xué)性能進(jìn)行了研究，并進(jìn)一步探究嵌段共聚物結(jié)構(gòu)、炭材料的孔徑結(jié)構(gòu)及其電化學(xué)性能之間的相互關(guān)系。
　　 本研究課題的實(shí)施遵循聚合物聚合可控-炭材料結(jié)構(gòu)可控-高性能超級(jí)電容器炭電極材料為主線的研究路線，即通過控制嵌段共聚物鏈段的柔順性、改變鏈段分子量及不同鏈段的相對(duì)含量來調(diào)控嵌段共聚物的形態(tài)結(jié)構(gòu);進(jìn)而調(diào)控炭材料的孔徑結(jié)構(gòu)。主要內(nèi)容如下:
　　 1.以苯乙烯、丙烯腈為單體，通過“活性”/可控可逆加成-斷

3、裂鏈轉(zhuǎn)移(RAFT)自由基聚合方法制備了不同分子量的PS-b-PAN-b-PS嵌段共聚物，其中熱塑性苯乙烯為犧牲鏈段，熱固性丙烯腈為保留鏈段。通過鏈轉(zhuǎn)移劑(BDMAT)的量來控制聚合物鏈段的分子量，高溫炭化后得到了一系列不同孔徑分布的多孔炭材料。炭材料孔徑結(jié)構(gòu)表征和電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，多孔炭材料具有獨(dú)特的單一孔徑分布，且可在精度為1nm的范圍內(nèi)進(jìn)行精確調(diào)控，最高比表面積可達(dá)2054 m2·g-1。在2M的KOH電解液中，電流密度為5

4、mA·cm-2時(shí)，最高單位面積比容量為23.3μF·cm-2，單位質(zhì)量比容量可達(dá)191F·g-1;在10m·cm-2的電流密度下，循環(huán)3000次仍能保持其首次循環(huán)單位質(zhì)量比容量的95％。之后將其分別使用H2SO4、H3PO4、HNO3進(jìn)行改性，研究分析其改性前后電化學(xué)性能的變化。研究發(fā)現(xiàn)，H3PO4、HNO3能夠在一定程度上改善多孔炭材料的電化學(xué)性能，而H2SO4會(huì)使炭材料的表面活性下降，比電容降低。這一現(xiàn)象主要是N、P、S在炭材料表面

5、的結(jié)合位點(diǎn)不同，造成對(duì)炭材料表面的性能不同而造成的。
　　 2.以苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈為單體，通過RAFT活性可控聚合制備了以苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯為犧牲鏈段，丙烯腈為保留鏈段的嵌段共聚物。這一方式增大了犧牲鏈段的分子量，獲得了介孔孔徑在2nm和8nm左右，較大孔徑為20-60nm范圍內(nèi)的多孔炭材料SMAC-X(X為1，2，3)即獲得了較大的孔徑結(jié)構(gòu)炭材料。在2M的KOH電解液中，電流密度為5 mA·cm-2時(shí)，最高單