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(kāi)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%?；罨蟮亩嗫滋吭陔娙菪阅芊矫娴臉O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。基于原料來(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