基于嵌段共聚物xPS-b-PMMA的多孔炭材料的制备及其电化学性能

摘要

本文对双电层超级电容器的最新研究进展进行了详细综述，并深入系统地研究了多孔炭材料中孔径分布和比表面积及其多孔炭材料表面官能团与双电层电化学性能之间的相互关系，这是一个尤为重要的前沿基础科学问题。然而，遗憾的是对这一问题都没有进行深入、系统地研究，均处于定性的说明或简要阐述，并没有有力的实验佐证。造成这种现象的主要原因：一方面是由于体系的复杂性；而另一方面是由于炭材料结构的不可控性。综合上述原因，本课题提出直接炭化交联嵌段共聚物来制备分级多孔炭材料，并系统研究其双电层电化学性能。 本课题的主要研究思路为：（1）合成分子量可控的嵌段共聚物；（2）傅克反应发生使聚合物交联；（3）制备分级多孔炭材料；（4）测试并组装为高性能超级电容器，也就是通过控制嵌段共聚物中牺牲链段的分子量分布即体积分数来调控其形态结构，进而在炭化过程中调控多孔炭材料中的孔径大小及分布，然后研究多孔炭材料中孔结构、孔径大小和比表面积与双电层电化学性能之间的相互关系。其主要研究内容如下： （1）苯乙烯（St）和甲基丙烯酸甲酯（MMA）作为聚合物的单体，以CuIBr/BPY为催化剂，采用MBP作为引发剂，在EC溶剂中采用原子转移可控自由基聚合方法（ATRP）成功合成嵌段共聚物 PS-b-PMMA。在此基础上进行傅克反应使嵌段共聚物中 PS 的苯环发生交联，得到交联的嵌段共聚物 xPS-b-PMMA。所合成的大分子引发剂PS-Br的数均分子量为15281 g mol-1并在合成过程中，使“保留”链段分子量（xPS 段）保持不变，控制其聚合反应的条件制备一系列分子量分布较窄的嵌段共聚物，其分子量分别为19011、21368、22918和25933 g mol-1，其中 PMMA 的体积分数（fPMMA）分别为 19.62%、28.49%、33.42%和 41.28%。经高温炭化，成功制备了具有较高比表面积和分级多孔结构的炭材料。作为超级电容器的电极材料，HPC5在电流密度为0.5 A g-1时，展现出较高的比电容为204 F g-1，表现出较好的倍率性能和优异的循环稳定性。 （2）采用KOH和 HNO3为活化剂对前驱体进行化学活化处理，并选择合适的活化条件。当活化温度为700℃，时间为2 h，且KOH及HNO3与前驱体的质量比均为 1:1 时，制备了具有高比表面积的层级多孔炭材料，且其比表面积高达2436m2g-1，孔径分布主要集中在1.8~3 nm，孔体积为1.2cm3g-1。该电极材料在电流密度为0.5 A g-1时其比容量为382 F g-1并当电流密度增大至10 A g-1时，其倍率性能为73%。该电极表现出如此优异的电化学性能主要归因于其较高的比表面积和独特的孔结构和孔径分布以及少量的含氧官能团。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 引 言

1.2 超级电容器概述

1.3 超级电容器电极材料的研究进展

1.4 炭材料结构与双电层电容之间的关系

1.5 原子转移可控自由基聚合（ ATRP）

1.6 课题的提出及研究内容

第二章 炭化嵌段共聚物制备分级多孔炭材料及其电化学性能研究

2.1引 言

2.2实验部分

2.3高温炭化嵌段共聚物制备结构可控多孔炭材料

2.4结果与讨论

2.5本章小结

第三章 化学活化制备高性能多孔炭材料及其电化学性能研究

3.1引 言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

结论与展望

结论

研究展望

参考文献

致谢

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