炭氣凝膠的制備及在超級(jí)電容器中的應(yīng)用.pdf

1、炭氣凝膠問世于上世紀(jì)八十年代末期，是一種具有獨(dú)特性質(zhì)的低密度、非晶態(tài)、納米多孔材料，其性質(zhì)和結(jié)構(gòu)可在納米尺度控制。與傳統(tǒng)的無機(jī)氣凝膠相比，炭氣凝膠具有生物相容性、可以生物降解、導(dǎo)電性及原子序數(shù)低等性質(zhì)，可用于高能物理、醫(yī)學(xué)、熱學(xué)、催化及電化學(xué)等領(lǐng)域。一經(jīng)問世就成為氣凝膠領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但由于制備周期長(zhǎng)，生產(chǎn)成本高，限制了其應(yīng)用。本文從尋找新的合成原料、簡(jiǎn)化制備工藝以及改善氣凝膠結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了研究，考察了炭氣凝膠結(jié)構(gòu)的影響因素，采用低溫

2、N<,2>吸附、TG、SEM和IR等手段表征了炭氣凝膠的微結(jié)構(gòu)，并將炭氣凝膠作為超級(jí)電容器電極材料進(jìn)行研究。 以間苯二酚(R)和甲醛(F)為原料，碳酸鈉(Cat)為催化劑，經(jīng)溶膠-凝膠聚合、溶劑置換和常壓干燥得到暗紅色無裂紋的塊狀RF有機(jī)氣凝膠，在惰性氣氛下經(jīng)高溫炭化后得到炭氣凝膠。在有機(jī)氣凝膠的制備工藝中，通過調(diào)變反應(yīng)物濃度和催化劑濃度控制氣凝膠性質(zhì)：隨著催化劑濃度的降低，氣凝膠密度變小，比表面積降低，孔徑分布變寬。通過進(jìn)一步

3、活化對(duì)炭氣凝膠的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，考察了反應(yīng)物濃度S=40％，催化劑濃度R/Cat=500 條件下制備的炭氣凝膠在850℃下CO<,2>活化時(shí)間對(duì)炭氣凝膠孔隙結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)在此溫度下活化3 h得到的炭氣凝膠具有最高的比表面積。實(shí)驗(yàn)中首次通過向反應(yīng)物體系中添加乙醇來實(shí)現(xiàn)對(duì)氣凝膠孔隙結(jié)構(gòu)的調(diào)變，隨著乙醇添加量的增加，炭氣凝膠比表面積和微孔表面積降低，外表面積增加，炭氣凝膠孔徑變小。 以廉價(jià)的混合甲苯酚(Cm)為原料，與甲醛在NaO

4、H(Cat)催化劑下經(jīng)溶膠．凝膠和常壓干燥過程制備有機(jī)氣凝膠，炭化后得到CmF炭氣凝膠。氮吸附表征結(jié)果顯示炭氣凝膠具有較高的比表面積，具有典型的中孔特征。對(duì)在反應(yīng)物中水(W)與Cm比(W/Cm)為10，Cm/Cat=60 條件下制備的炭氣凝膠進(jìn)行CO<,2>活化改性，考察了活化溫度和活化時(shí)間對(duì)炭氣凝膠孔隙結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)活化溫度在800～900℃之間活化時(shí)間為1 h時(shí)，隨活化溫度的提高，活化效果增強(qiáng)；在活化溫度為900℃時(shí)，活化2 h得

5、到的炭氣凝膠具有最高的比表面積，為1418 m<'2>/g儋，繼續(xù)增加活化時(shí)間對(duì)炭氣凝膠的孔隙結(jié)構(gòu)影響變小。 以RF炭氣凝膠和CmF炭氣凝膠作為超級(jí)電容器電極材料進(jìn)行了電化學(xué)測(cè)試。結(jié)果表明，所用炭氣凝膠在30％KOH水溶液中表現(xiàn)出良好的電容特性，在1 mA/cm<'2>電流密度下恒流充放電，RF 炭氣凝膠和CmF炭氣凝膠的質(zhì)量比電容分別為107 F/g和78 F/g；經(jīng)CO<,2>活化后比電容顯著提高，S=40，R/Cat=50

6、0制備的RF炭氣凝膠在850℃下CO<,2>活化3 h，比電容達(dá)到188 F/g，W/Cm=10，Cm/Cat=60條件下制備的CmF炭氣凝膠在900℃活化2 h后比電容達(dá)到146 F/g。充放電循環(huán)性能測(cè)試結(jié)果顯示RF炭氣凝膠在20mA/cm<'2>電流密度下2000次充放電后比電容基本保持不變，顯示極好的循環(huán)壽命。 以間苯二酚和甲醛為原料，在KOH催化劑下經(jīng)溶膠．凝膠聚合過程制備水凝膠，經(jīng)常壓干燥后得到有機(jī)干凝膠，有機(jī)干凝膠

7、在惰性氣氛下高溫炭化，干凝膠中KOH在炭化過程中起到活化劑作用，得到高比表面積多孔炭材料。樣品比表面積隨催化劑KOH量的增加而增大，當(dāng)KOH與間苯二酚質(zhì)量比為4，炭化溫度為700℃時(shí)，所得樣品比表面積高達(dá)2760 m<'2>/g，當(dāng)KOH與間苯二酚質(zhì)量比為2時(shí)，炭化溫度為650～800℃所得樣品具有相似的孔隙結(jié)構(gòu)，大于800℃，KOH活化效果增強(qiáng)，樣品比表面積增大。以該方法制備的多孔炭材料作為超級(jí)電容器電極材料進(jìn)行了電化學(xué)測(cè)試。結(jié)果顯示

8、，在30％KOH水溶液中表現(xiàn)出良好的電容特性。炭化溫度為700℃，KOH與間苯二酚質(zhì)量比為2時(shí)所得材料，在1 mA/cm<'2>電流密度下恒流充放電，具有最高的比電容，達(dá)到294F/g，而且隨電流密度增大的衰減很小，適合于大電流、大功率充放電；電極在1000次循環(huán)后質(zhì)量比電容衰減只有4％，說明具有很好的循環(huán)壽命。炭化溫度影響材料的表面性質(zhì)，較低溫度下得到的樣品由于準(zhǔn)電容效應(yīng)較強(qiáng)，使得其質(zhì)量比電容較高，隨炭化溫度的提高，多孔炭材料電極的漏