三聚氰胺基树脂球的水热合成及碳化材料的电化学性质

摘要

超级电容器，又称为电化学电容器，是一种新型的能源储存装置，具有功率密度高、循环寿命长、快速充放电等优点，近年来得到研究者广泛关注。目前，超级电容器技术的研究难题是如何提高电极的比电容和优化充放电性能，实现这些目标主要依靠制备纳米结构的电极材料，包括纳米碳材料、纳米氧化物或纳米复合材料。其中，纳米碳材料是研究最热和最广泛的超级电容器电极材料，影响碳材料电化学性能的主要因素有比表面积、孔径分布、孔形状与结构、导电性和表面功能团。杂化碳材料已经引起了研究者的极大关注，并且被认为是一种有前景的超级电容器电极材料，到目前为止，研究最多的是氮和氧杂化碳材料。本论文基于廉价的、富氮的三聚氰胺为碳前驱体，水热法合成了三聚氰胺树脂球，然后碳化制备杂化中空碳材料并研究了其电容性能;并在水热条件下软模板组装间苯二酚和三聚氰胺制备了多种形貌的介孔纳米树脂材料，研究了热解树脂碳材料的电化学性质。主要研究成果如下:
　　 首先，在水热条件下聚合三聚氰胺和甲醛制备了三聚氰胺树脂球，详细研究了不同实验条件对树脂球形貌的影响，对三聚氰胺树脂球的化学结构进行了测试和分析，探索了三聚氰胺树脂球的形成过程。在一定条件下制备了直径分布在5.0～5.5μm之间、单分散的实心三聚氰胺树脂球，树脂球的大小可以通过改变反应液的浓度调控;当盐酸作催化剂，合成出了三聚氰胺树脂凝胶，而当NaOH作催化剂，可以制得交联的三聚氰胺树脂球。阳离子表面活性剂(CTAB)和嵌段共聚物F127增大树脂球的直径，阴离子表面活性剂(SDS)可以大幅度减小树脂球的直径。甲醇和乙醇为助溶剂时，MF树脂球的直径增大;当异丙醇作混合溶剂时，合成凝胶状MF树脂。
　　 其次，将典型条件下合成的三聚氰胺树脂实心微球在不同温度下进行热处理，直接制得氮氧共杂化的中空微孔碳球。将中空碳微球进行了一系列物理化学结构表征，发现热解温度对中空碳球的物理化学性质有着直接影响，随着处理温度的升高，碳球直径降低、比表面积增大、杂原子氮的含量降低、微孔孔径逐渐变大、孔径分布变宽，而杂原子氧的含量变化不大，并且石墨化程度和导电性也有很大改善。详细研究了中空碳微球的形成机理，发现树脂的交联方式直接影响热分解过程。热解以亚甲基联为主的树脂球得到中空碳球，而以醚基联为主的树脂球则形成实心碳球。将不同热解温度下得到的中空碳球进行电化学性质测试，发现在硫酸电解液中，随着处理温度的升高，比电容呈现先增大后降低的变化趋势;800℃热解碳球的比电容最大，为302Fg-1，并展现出优越的循环稳定性;在硫酸钠中性电解液中，比电容远小于在酸性电解液中的数值。总之，比电容受中空碳球的比表面积、孔径及分布和表面官能团的复合影响。
　　 最后，在水热条件下自组装间苯二酚、三聚氰胺和嵌段共聚物F127，制备了形貌新颖的纳米树脂材料，即纺锤体、棒状、环状和纤维状的树脂材料，由10-15nm的纳米颗粒组装而成;纺锤体树脂材料展现出一定的有序介孔结构。通过改变反应液的浓度、表面活性剂的浓度、原料的配比可调控树脂材料的形貌。树脂材料的红外光谱分析可知，该树脂具有典型的酚醛树脂和三聚氰胺的特征单元，并且含有大量的F127;并对纳米树脂材料的形成机制进行了初步探索。热处理后的纺锤体树脂纳米材料仍具有纺锤体形貌特征，具有介孔结构，并且含有一定量的杂原子氧和氮。将该碳材料分别在硫酸电解液和中性电解液中进行了电化学性能测试，在2M硫酸电解液中，电极的循环伏安曲线具有准矩形特征，电容来自于双电层电容和赝电容两部分;在1M硫酸钠电解液中，循环伏安曲线展现出良好的矩形特征，为典型的双电层电容。

目录

摘要

第1章 文献综述

1．1 引言

1．2 超级电容器简介

1．2．1 超级电容器工作原理及分类

1．2．2 超级电容器的特点及应用

1．3 超级电容器电极材料

1．3．1 活性炭(AC)

1．3．2 碳纳米管

1．3．3 石墨烯

1．3．4 模板碳

1．3．5 碳化物碳

1．3．6 杂化和表面功能化碳材料

1．4 中空碳球的研究现状

1．4．1 中空碳球的合成方法

1．4．2 中空碳球在超级电容器中的应用

1．5 嵌段共聚物自组装制备纳米材料研究现状

1．5．1 嵌段共聚物自组装制备介孔碳材料

1．5．2 嵌段共聚物组装胶质微粒

1．6 本课题的选题依据及主要研究内容

第2章 实验原料和方法

2．1 实验原料及设备

2．1．1 实验原料

2．1．2 实验设备

2．2 材料的表征

2．2．1 扫描电子显微镜(SEM)

2．2．2 透射电子显微镜(TEM)

2．2．3 X射线衍射(XRD)

2．2．4 氮气吸附脱附实验

2．2．5 傅里叶变换红外光谱(FTIR)

2．2．6 X射线光电子能谱(XPS)

2．2．7 拉曼光谱(Raman Spectra)

2．2．8 热分析

2．3 电化学测试

第3章 三聚氰胺甲醛树脂球的水热合成及表征

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 三聚氰胺树脂球的水热合成

3．3 结果与讨论

3．3．1 树脂球合成条件的考察

3．3．2 表面活性剂对树脂球形貌的影响

3．3．3 溶剂对树脂球形貌的影响

3．3．4 三聚氰胺树脂微球的结构表征

3．3．5 三聚氰胺树脂微球形成机制

3．4 小结

第4章 三聚氰胺树脂热裂解中空碳球的电化学性质研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 中空碳微球的制备

4．3 结果与讨论

4．3．1 碳微球的形貌表征

4．3．2 中空碳微球的形成机理

4．3．3 中空碳球的物理化学性质表征

4．3．4 中空碳微球的电化学性能

4．4 小结

第5章 间苯二酚/三聚氰胺树脂纳米材料的自组装合成及其碳化材料的电化学性质

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 树脂纳米材料/碳材料的制备

5．2．2 碳纳米材料的电化学测试

5．3 结果与讨论

5．3．1 树脂纳米材料的合成与表征

5．3．2 碳纳米材料的表征

5．3．3 碳纳米材料的电化学性能

5．4 小结

结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文

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