高比表面积多孔石墨化碳材料的制备及性能研究

摘要

随着能源短缺问题的不断加剧，人类社会正面临着新的考验。作为一种新型的储能装置，超级电容器在近20年来受到越来越多的关注。超级电容器具有高于传统电容器的能量密度，同时又具有远大于电池的功率密度，很好的填补了化学电源在能量-功率密度分布上的空缺。因此，超级电容器在电动车、混合动力车、航空、码头重载设备等领域具有广阔的应用前景。然而，目前的超级电容器由于能量密度较低，远远不能满足技术发展需求，因此对于开发新型高容量电极材料的需求十分迫切。
　　多孔石墨化碳材料同时具备高比表面积和良好的导电性，被认为是一种潜在的高性能超级电容器电极材料。然而，目前还缺乏大规模制备高比表面积多孔石墨化碳材料的有效方法。本文利用低温固态催化石墨化的方法，以木质活性炭为原材料，通过引入镍纳米颗粒作为催化剂在热处理过程中原位生成石墨化纳米结构，制备出具有高比表面积的多孔石墨化碳材料，并研究了其电容性能。通过调节工艺参数，首次在活性炭基体中催化出大面积超薄石墨化结构，而且研究了这一新型结构对孔结构的影响，并讨论了其生长机制。主要包括：
　　以茭白叶为原材料，利用化学活化的方法制备出了比表面积为2100 m2/g的活性炭。通过液相复合的方法，将镍前驱体均匀的引入到活性炭中，通过在惰性气氛中热处理直接用碳基体还原出镍纳米颗粒，并原位进行催化石墨化，制备出具有石墨化结构的多孔碳。运用扫描电镜、透射电镜对制备出的材料所包含的石墨化结构、镍颗粒进行观察；利用X射线衍射和拉曼光谱测试分析材料的石墨化程度；利用氮气吸附法表征材料的孔结构；利用两电极超级电容器测试法表征材料的电化学性能。
　　研究结果表明，催化温度、催化剂颗粒状态是影响生成的石墨化结构的关键因素。在本实验体系下，当催化温度为900 oC时，超细镍颗粒（~20 nm）可以在活性炭表面催化出超薄的石墨化纳米结构。这种新型的石墨化结构厚度在2-3纳米左右，每个单元由3-8层石墨层组成，而且均匀、密集的分布于多孔碳基体上。这种超薄结构的生成不会大幅度破坏活性炭的孔结构，因此所制备的多孔石墨化碳的比表面积高达1654 m2/g；而当催化温度为1000 oC时，催化生成了所报道过的“石墨壳”结构，这种多孔石墨化碳的比表面积较小。
　　本文通过透射电镜深入研究了不同工艺条件下，镍催化剂颗粒和周围非晶碳的结构演变情况。研究表明，在降温速率小于20 oC/min的范围内，催化降温速率对本催化体系内的石墨化结构种类没有明显影响。超薄石墨化纳米结构是在合适的温度下（如900 oC）由一些在非晶碳表面“运动”的超细镍纳米颗粒以一种连续催化的方式所形成。
　　电容测试结果表明，利用催化石墨化制备的具有超薄石墨化结构的高比表面积多孔碳，相比传统制备的“石墨壳”结构多孔碳，具有更好的倍率性能，在5A/g的电流密度下，保持有更高的电容值。这种优异的电容性能主要是由于超薄石墨化结构所引起的：一方面，这种超薄结构使活性炭保存了更多的微孔结构，确保了多孔碳的大比表面积特征，为电荷的聚集提供足够的活性位置；另一方面，碳基体上的均匀分散的超薄石墨化结构也为电子的转移提供了理想的导电通路，两者共同提高材料倍率性能。
　　本文首次利用催化石墨化的方法在活性炭的碳表面原位生长出超薄石墨化结构，并制备了具有高表面积的多孔石墨化碳。这为宏量制备大比表面积、高导电性、高倍率性能的超级电容器用电极材料提供了新思路。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2超级电容器概述

1.3碳基超级电容器电极材料研究现状

1.4多孔石墨化碳材料

1.5选题意义及研究内容

参考文献

第二章 制备及表征

2.1实验原料、试剂及设备

2.2样品制备

2.3结构表征

2.4电化学性能测试

参考文献

第三章 多孔石墨化碳的微观结构

3.1引言

3.2植物炭的微观结构

3.3多孔石墨化碳结构的表征

3.4孔结构

3.5石墨化结构的形成机理

3.6工艺参数的影响

3.7本章小结

参考文献

第四章 多孔石墨化碳电化学性能

4.1引言

4.2多孔石墨化碳的电化学性能

4.3工艺参数对材料电化学性能的影响

4.4本章小结

参考文献

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

致谢

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