酚醛树脂基纳米孔炭的自活化法制备、调控及性能研究

摘要

本论文从碳前躯体的分子工程学设计出发，以酚醛树脂为基础，设计合成氮硫掺杂酚醛树脂酚盐或烷氧基取代酚醛树脂，通过以-O-K+形式存在的单分散K+或树脂酚环上烷氧基为造孔剂，直接热解制备微孔分布集中的纳米孔炭材料，利用树脂酚环上不同链长烷氧基的空间效应差别，实现碳材料微孔尺寸的精确调控。研究碳材料微孔尺寸与烷氧基空间效应之间的关系，揭示酚醛树脂基碳材料微孔尺寸的调控规律。并研究了所制备碳材料在超级电容器中的应用。具体研究为：
　　1.集中分布的微孔孔道和杂原子掺杂是提升多孔炭材料电容性能的关键因素。我们以3-胺基酚和3-羟基苯硫酚为原料，KOH同时作为活化剂和催化剂前体，制备了3-氨基酚-3-羟基苯硫酚树脂钾盐。进而以其为碳前躯体，直接热解制备了具有集中微孔分布的 N，S-共掺杂多孔炭材料。利用 SEM、TEM、氮气吸附、XPS、EDS等技术手段对所制备多孔炭的孔隙结构和表面化学性质进行了系统的表征。研究发现，在酚醛树脂中以-O-K+形式单分散的 K+起到了―原位自活化‖作用，创造了发达的高度均一、相互交联、短孔程的超微孔。两种酚反应底物的比例是影响酚醛树脂凝胶的微观形貌和所制备碳材料的孔隙结构及表面元素分布的关键因素。通过调节3-胺基酚和3-羟基苯硫酚的比例，分别获得了纯微孔炭和微孔-介孔多级孔炭。
　　2.研究了所制备N，S-共掺杂微孔炭和多级孔炭在KOH和H2SO4电解液中的电容性能。研究发现，碳材料的电容性能受到孔隙结构和表面化学特性的共同影响，而酚类的比例和碳化温度是决定孔隙结构和表面化学性质的关键制备条件。丰富的N，S，O官能团引入了较多的赝电容效应，集中分布且孔程较短的微孔孔道保证了电解质离子在材料孔隙中的快速传输，因此在KOH电解液中获得了较好的比电容值和功率特性。在 KOH电解液中，SNC-3:1-600和 SNC-1:1-700的比电容值超过250 F g-1，在0.2~20 A g-1范围内，其电容保持率超过60%。由于H2SO4电解液的导电离子尺寸远大于KOH电解液的导电离子尺寸，并且H2SO4电解液电导率较小，因此所制备碳材料在H2SO4电解液中电容性能较差。
　　3.以间苯三酚、1-溴乙烷、1-溴代环己烷、1-溴庚烷、甲醛为原料，分别制备了烷氧基取代酚醛树脂。以其为碳前躯体，直接热解制备了孔分布集中的超微孔炭，并在KOH电解液中研究了其电容性能。研究表明，利用不同链长的取代基可以有效的制备孔分布集中的超微孔炭，以乙基、庚基和环己基为取代基的酚醛树脂基多孔炭的孔径分别为0.52、0.54和0.58 nm。说明通过调控烷氧基树脂中的烷基可以在纳米尺度上调控碳材料的孔径。在KOH电解液中，碳材料的比表面积是影响其电容性能的主要因素。所制备碳材料C7在KOH电解液中表现为较好的倍率性能，但比电容值不高，仅为66.1 F g-1。作为孔径调节的有效手段，简单的利用不同的取代基实现孔径的精准调控是此方法的创新之处。

目录

声明

第一章 文献综述

1.1 碳材料简介

1.2 纳米孔炭材料的制备方法

1.3 纳米孔炭在超级电容器中的应用

1.4 选题依据及本课题的研究内容

第二章 实验部分

2.1 实验装置及所需化学试剂

2.2 材料的结构表征和分析

2.3 工作电极的制备

2.4 电化学测试体系

2.5 电化学性能测试及性能参数计算

第三章 3-氨基酚-3-羟基苯硫酚树脂自活化法制备氮硫共掺杂纳米孔炭

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 实验结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 酚醛树脂基氮硫共掺杂纳米孔炭的电容性能

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 实验结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 孔分布均一的烷氧基酚醛树脂基微孔炭的制备及电容性能

5.1 前言

5.2 实验部分

5.3 结果讨论

5.4 本章小结

第六章 结论

参考文献

在学期间公开发表的论文

致谢