HCl辅助Cl2刻蚀SiC和WC制备碳化物衍生碳的工艺及机理

摘要

碳化物衍生碳（CDC）是以碳化物为碳源，通过刻蚀气体除去碳化物晶格模板中的非碳原子形成的一种多孔骨架结构的碳材料。该材料制备工艺简单，孔径结构可调，比表面积大，在超级电容器上有很大的应用前景。目前，CDC的刻蚀剂往往采用纯Cl2或纯HCl气体，单纯使用Cl2制备的CDC主要是微孔，单独使用HCl气体刻蚀的产物孔径是微孔-中孔结构或者中孔-大孔结构，难以制备出适用于超级电容器电极用的含有微-中-大孔三者复合结构的CDC。
　　本文以HCl-Cl2为刻蚀气体，SiC和WC粉末为碳前驱体，制备了高比表面积和大比电容的碳化物衍生碳材料，结果表明：在CDC-SiC系列中，产物主要是无定形结构，1000℃生成的CDC-SiC有少量卷曲的石墨有序结构出现，随着温度上升，有序化程度增加。所有产物都保留了前驱体SiC的块状形貌，具有微-中-大的复合孔结构，孔宽分布范围大，不同温度合成的CDC-SiC孔宽分布曲线区别很小，产物中主要含中孔，其中CDC-SiC-1000的比表面积和孔体积最大，分别为2675 m2/g和3.41 cm3/g，其余三个样品的比表面积相差不大，都保持在1940m2/g以上，CDC-SiC-1000作为电极的可逆性和稳定性最好，比电容也最大，为209.5F/g。在CDC-WC系列中，产物主要是无定形结构，600-700℃的产物中没有观察到有序石墨结构，800℃生成的CDC-WC中出现弯曲的短条状石墨片层，石墨层数为2-3层，温度升高至900℃，石墨层数无明显增加，但长度增大，出现明显的石墨带状结构。所有产物保留了前驱体WC的块状形貌，具有微-中-大的多级孔结构，孔宽分布范围大但不同温度合成的CDC-WC的孔宽分布曲线基本一致，只有样品CDC-WC-700不含1nm以下的孔，其中CDC-WC-900的比表面积最大，为2247 m2/g，其余CDC-WC的比表面积由大到小依次为2144 m2/g(CDC-WC-800)、1917m2/g(CDC-WC-600)、171 m2/g(CDC-WC-700)。CDC-WC-800作为电极的可逆性和稳定性最好，比电容也最大，为148.2F/g。