新型中孔炭材料的制备及其双电层电容性能研究

摘要

本文以制备高功率应用双电层电容器电极炭材料为目的，在详细评述了双电层电容器及其电极材料研究进展的基础上，对具有新型物相结构的多孔炭材料的制备及其双电层电容性能进行了系列研究。
　　 结合有机分子在无机基体表面的定向锚接现象和模板炭化法，提出了制备具有特殊物相结构多孔炭材料的表面锚接模板炭化新技术。以介孔有序二氧化硅分子筛SBA-15-6、SBA-15-7、SBA-15-9和无序介孔硅胶SIG-10、SIG-30作为模板剂，商品化中间相沥青为碳源，采用表面锚接模板炭化法制备5种中孔炭材料。运用SEM、TEM、XRD、RAMAN、氮气等温吸脱附等物理手段研究炭材料的表观形貌、孔结构和物相结构。结果表明，采用不同模板制备的炭材料均具有片状堆积物相结构和中孔结构，证实了表面锚接模板炭化法的可行性。以有序介孔分子筛为模板制备的炭材料呈纤维束状，石墨烯层沿着垂直于孔壁轴向的方向定向排列；适当的高温处理虽能进一步提高石墨烯层排列的有序性，但过高的温度可对炭材料的这种特殊结构造成破坏。无序介孔硅胶为模板制备的炭材料不仅可复制模板的孔隙结构，还可复制模板的形貌；硅模板具有的无序孔结构，导致制备炭材料石墨烯层排列的有序性下降。
　　 研究了5种片状堆积结构多孔炭材料的水性电解液和有机电解液双电层电容性能。结果表明，五种炭材料在两种电解液中均表现出了特殊的双电层电容性能。C-SBA-15-7炭材料在两种电解液中面积比电容分别为44.10μF/cm2和24.82 μF/cm2，质量比电容达82.58F/g、46.43 F/g，其它4种炭材料也表现出远高于常规多孔炭材料的单位面积比电容。制备的炭材料具有片状堆积物相结构，石墨烯层沿垂直于孔壁周详的方向排列，炭材料孔壁表面主要由边缘面构成，使其具有较高的单位面积电容值。但同为片状堆积结构炭材料，其双电层电容性能存在一定差异。C-SIG-10在两种电解液位面积比电容仅有28.16μF/cm2和16.61 μF/cm2，可见片状堆积结构炭材料单位面积比电容大小还与其石墨烯层排列有序程度有关。
　　 以蔗糖为前驱体材料，二氧化硅为模板剂，采用模板碳化法制备多孔炭材料。以上述多孔炭材料、外购活性炭和本实验制备的片状堆积结构中孔炭材料为研究对象，比较研究了孔结构、物相结构和表面氧化处理对炭材料双电层电容性能的影响。结果表明，本研究制备的片状堆积结构中孔炭材料的单位面积比电容远高于蔗糖前驱体炭材料和外购活性炭。炭材料面积比电容与其比表面积、平均孔径和孔容没有直接关系。但平均孔径或孔容相近的炭材料，具有片状堆积物相结构的炭材料的面积比电容明显高于常规多孔炭材料。片状堆积结构炭材料经硝酸氧化后质量比电容有明显提高。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 文献综述

第2章 片状堆积结构多孔炭材料的制备与表征

第3章 片状堆积结构炭材料双电层电容性能研究

第4章 炭材料结构对其双电层电容性能的影响

结论

参考文献

致谢