多孔碳球及石墨烯-二氧化钛纳米复合材料的制备及应用研究

摘要

化石燃料的日益枯竭以及其所带来的日益严重环境问题，迫使人们急切的需要寻找一种能够代替化石能源的新能源。氢气具有可再生、无污染、热值高等优点，是一种理想的新能源。目前，限制氢气大规模应用的主要瓶颈是如何将氢气安全又经济的储存起来。在众多的储氢材料中，碳微球具有比表面积大，稳定性好等优点，尤其是其结构可调性好，特别适合作为储氢材料。关于碳微球的储氢研究也越来越为人们所重视。本文旨在探讨使用不同的方法来制各碳微球,并研究这些方法对碳微球的结构以及储氢性能的影响。同时，石墨烯因为具有电导性好、化学和热稳定性好以及优良的机械性能等优点，在复合材料、锂离子电池以及超级电容器等领域有着广泛的应用。本文也提出了一种制备石墨烯-二氧化钛纳米复合材料的新方法，并研究了这种复合材料作为超级电容器电极材料的电化学性能。
　　 本文主要进行了以下三方面的工作:
　　 (1)本文使用了一种由两种路径来制备微孔碳球的新方法。以苯乙烯-二乙烯基苯共聚物(PS-DVB)聚合物微球为前驱体，分别使用两种尺寸不同的交联剂，四氯化碳和1，2-二氯乙烷，进行超交联反应，最后经过高温炭化即可得到孔结构不同的微孔碳球。此外，我们还改变前驱体中DVB的含量，研究DVB含量对碳球孔性能的影响。扫描电镜、透射电镜结果表明，我们成功的制备了具有不同孔结构的微孔碳球，使用二氯乙烷为交联剂所制备的碳球的尺寸要大于四氯化碳所制备的碳球。同时氮气吸附/解吸附结果表明，使用二氯乙烷为交联剂所制备的碳球的微孔体积要大于四氯化碳所制备的碳球，而微孔尺寸小于四氯化碳所制备的碳球。这些碳球的比表面积在400-510m2g-1之间，微孔平均尺寸在0.68nm-0.78nm之间，这些都是有利于储氢的参数范围。所制备的碳球在850mmHg的压力和77K的温度下的储氢量能够达到1.86wt％。本文所使用的方法为今后优化碳材料孔道结构提供了一种新的借鉴。
　　 (2)本文使用了一种多步处理的方法来制备微孔碳球。首先将实心的PS-DVB聚合物微球洗中空，然后以中空的PS-DVB聚合物胶囊作为前驱体，经过超交联、磺化和炭化过程，制备具有多级孔分布孔道结构的碳球。此外，还研究了当前驱体中DVB的含量改变时，所制备的碳球的结构的变化。对所制备的碳球进行了扫描电镜、透射电镜、红外光谱、X射线衍射、拉曼光谱以及氮气吸附/解吸附实验。结果表明，我们成功的制备了具有多级孔分布的微孔碳球，这些碳球的比表面积最高可以达到1149m2g-1，微孔比表面积也高达763m2g-1。在850mmHg的压力和77K的温度下的储氢量最高为5.92wt％。这对碳材料来说是一个较高的数据。
　　 (3)本文使用一种超临界二氧化碳辅助的方法来制备二氧化钛纳米颗粒-石墨烯纳米复合材料(TiO2NPs-G)，同时研究了TiO2前躯体的用量对复合材料形貌的影响。利用扫描电镜(SEM)，透射电镜(TEM)，X射线衍射(XRD)，红外光谱(FT-IR)，以及电化学工作站对复合材料进行了表征。表征结果表明，二氧化钛纳米颗粒以Ti-O-C化学键的形式均匀的分散在石墨烯的表面。TiO2前躯体的量越高，最后二氧化钛的覆盖率越高，且二氧化钛纳米颗粒的尺寸越大。TiO2NPs-G2在10mVs-1的扫描速率下的比电容值达到了528Fg-1，这比传统的原子层沉积的方法制备的二氧化钛-石墨烯复合材料的比电容要多5倍多(84Fg-1，10mVs-1)。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 储氢材料简介

1．1．1 化学储氢

1．1．2 物理储氢

1．2 碳球的合成及应用

1．2．1 碳球的合成

1．2．2 碳球的应用

1．3 石墨烯及其复合材料的制备及应用

1．4 超临界流体简介

1．5 本课题的主要研究内容及意义

第二章 不同交联剂对碳球形貌、结构及性能的影响研究

2．1 实验试剂

2．2 实验仪器

2．3 表征手段

2．4 实验过程

2．4．1 核壳型聚(苯乙烯-二乙烯基苯)(PS-DVB)聚合物微球的制备

2．4．2 PS-DVB聚合物微球的超交联

2．4．3 超交联样品的炭化

2．5 样品表征

2．6 结果与讨论

2．7 小结

第三章 具有多级微孔结构的碳微球的制备、表征及其储氢性能的研究

3．1 实验试剂

3．2 实验仪器

3．3 表征手段

3．4 实验过程

3．4．1 核壳型聚(苯乙烯-二乙烯基苯)(PS-DYB)聚合物微球的制备

3．4．2 PS-DVB中空胶囊的制备

3．4．3 PS-DVB中空胶囊的超交联

3．4．4 经过超交联反应的样品的磺化

3．4．5 经过磺化处理的样品的炭化

3．5 样品表征

3．6 结果与讨论

3．7 小结

第四章 超临界二氧化碳辅助制备二氧化钛纳米颗粒-石墨烯纳米复合材料及其电化学性能研究

4．1 实验试剂

4．2 实验仪器

4．3 表征手段

4．4 实验过程

4．4．1 石墨烯的制备

4．4．2 石墨烯-二氧化钛纳米复合材料的制备

4．4．3 石墨烯-二氧化钛纳米复合材料电化学性能的表征

4．5 结果与讨论

4．5 小结

第五章 结果与展望

参考文献

致谢

个人简历及硕士期间发表论文