介孔碳及聚吡咯/介孔碳复合材料的制备和电化学性能研究

摘要

介孔碳材料具有独特的孔结构、较大的孔隙容积和耐腐蚀性等性质，在许多材料应用领域都占据一定地位，例如储氢、催化、吸附以及能量储存，并且介孔碳材料的大比表面积和特定的孔径尺寸，使其在双电层电容器方面也具有一定的应用前景。聚吡咯因其固有的导电性和氧化还原性而作为一个潜在的能量存储材料已被广泛研究。在介孔碳上负载聚吡咯，可以开发得到一种新型聚吡咯/介孔碳功能复合材料，该复合材料兼具聚吡咯和介孔碳两种材料的优良性能，在超级电容器领域中具有重要的潜在应用价值。
　　 本论文选用原位聚合法制备聚吡咯/埃洛石(PPy/HNTs)复合物，并在此基础上制备碳/埃洛石(C/HNTs)复合物;采用硬模板合成法制备介孔碳(MC)材料;随后以介孔碳为基底材料，制备出聚吡咯/介孔碳(PPy/MC)复合材料。
　　 首先，以吡咯为单体，过硫酸铵为氧化剂，通过原位化学氧化聚合的方法制备聚吡咯/埃洛石复合物，高温碳化后得到碳/埃洛石复合物。通过X射线粉末衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)等测试方法对样品的结构、组成和微观形貌进行了表征;采用循环伏安的方法测试了碳/埃洛石复合材料的电化学性能。结果显示，碳/埃洛石复合材料具有管状结构，在KOH电解质溶液中显示出较好的电容特性。
　　 其次，以埃洛石为模板，聚吡咯为碳源，采用硬模板合成法制备介孔碳材料，通过X射线粉末衍射分析仪(XRD)，傅里叶变换红外光谱(FT-IR)，场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)，透射电子显微镜(TEM)等分别对介孔碳材料的结构、组成和形貌进行测试;采用N2吸附/脱附仪测定介孔碳材料的比表面积(BET);采用循环伏安法(CV)对介孔碳材料进行电化学性能测试。结果表明介孔碳具有规整的管状结构，管的内径约30nm，壁厚约5nm;比表面积为437m2/g。介孔碳材料在6mol/LKOH电解质溶液中显示出双电层电容的性质，扫描速度为1mV/s时介孔碳材料的质量比电容为108F/g。
　　 最后，选用吡咯为聚合单体，以介孔碳为基底材料，在原位化学氧化聚合的条件下，分别以真空吸附法和溶液法制备出了聚吡咯/介孔碳复合材料(PPy/MC)。通过X射线粉末衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)等表征手段对聚吡咯/介孔碳复合材料的结构、组成和微观形貌进行了分析;采用循环伏安的方法测试了聚吡咯/介孔碳复合材料的电化学性能。结果表明，真空吸附法和溶液法制备的聚吡咯/介孔碳复合材料分别具有管状和棒状结构，聚吡咯/介孔碳复合材料在6mol/LKOH电解质溶液中显示出较好的双电层电容特性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 介孔碳材料简介

1．2 介孔碳材料的用途

1．2．1 化工领域

1．2．2 环保领域

1．2．3 生物医药领域

1．2．4 电化学和能源领域

1．3 介孔碳材料的制备方法

1．3．1 溶胶-凝胶法

1．3．2 硬模板法

1．3．3 软模板法

1．3．4 催化活化法

1．4 介孔碳材料的分类

1．5 聚吡咯／碳材料复合物的研究进展

1．6 本课题的研究意义和主要研究内容

1．6．1 本课题的研究意义

1．6．2 本课题的主要研究内容

第二章 碳／埃洛石复合物的制备与表征

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验材料及仪器

2．2．2 碳／埃洛石复合物的制备

2．2．3 工作电极的制备

2．2．4 样品的表征和电化学性能测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 样品的XRD分析

2．3．2 样品的红外光谱分析

2．3．3 样品的微观形貌

2．3．4 样品的电化学性能

2．4 本章小结

第三章 介孔碳的制备及性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料及仪器

3．2．2 介孔碳材料的制备方法

3．2．3 工作电极的制备

3．2．4 介孔碳材料的表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 介孔碳材料的XRD分析

3．3．2 介孔碳材料的红外光谱分析

3．3．3 介孔碳材料的微观形貌

3．3．4 介孔碳材料的比表面积

3．3．5 介孔碳材料的电化学性能

3．4 本章小结

第四章 聚吡咯／介孔碳复合物的制备及电化学性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验材料及仪器

4．2．2 聚吡咯／介孔碳复合物的制备方法

4．2．3 工作电极的制备

4．2．4 聚吡咯／介孔碳复合材料的表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 样品的XRD分析

4．3．2 样品的红外光谱分析

4．3．3 样品的微观形貌

4．3．4 样品的电化学性能

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

攻读硕士期间发表的学术文章

致谢