基于先驱体转化法制备的纳米材料及其吸波/锂离子存储性能的研究

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聚合物先驱体陶瓷转化法(PDC approach)是利用有机聚合物先驱体优异的加工成型性能,经加工成型、交联及热解等步骤,制备陶瓷材料。但先驱体纳米粒子在有机-无机转化过程中,涉及复杂的裂解反应。再加上纳米粒子表面积大,表面未成键电子多,致使其活性大,在热解过程中粒子间容易发生相互反应,生成块体陶瓷。因此使用该方法制备核-壳纳米粒子的报道较少。本论文中使用沥青为隔离剂,以含钴聚碳硅烷溶胶粒子为原料,利用先驱体转化法,经交联、热解制备一种碳包覆的含Co陶瓷纳米粒子。该材料经除碳或者刻蚀硅化物步骤,分别获得具有多孔核-壳结构的含Co陶瓷纳米粒子和中空多孔碳材料。具体研究结果如下:碳包覆的含Co陶瓷纳米粒子经500℃空气除碳,制备出一种具有多孔核-壳结构的含Co陶瓷纳米颗粒。采用XRD、TEM、XPS、Raman和BET等测试方法研究了核-壳纳米粒子中介孔的原位形成机理,以及纳米颗粒的微观结构和相演变过程。独特的核-壳结构、复杂的相组成和原位形成的介孔,赋予陶瓷纳米粒子优异的电磁波吸收性能。通过调节除碳时间,陶瓷纳米粒子-石蜡复合材料在X波段(8.2-12.4 GHz),最小反射系数达到-60.9 dB,最大吸收带宽为3.50 GHz;通过调节匹配厚度,有效吸收带宽覆盖达到15.5 GHz(从2.5到18 GHz)。碳包覆的含Co陶瓷纳米粒子经HF溶液刻蚀,去除材料内部的硅化物,获得一种具有中空多孔结构的沥青衍生碳材料。通过调节热解温度,探索沥青衍生碳材料的微结构演变规律,并研究其作为锂离子电池负极材料的电化学性能。结果显示,当热解温度为1200℃时,具有最大的比表面积值(210.06m2/g)。中空多孔结构的设计有利于提高其锂离子和电子的传输性能,提高电池的循环稳定性。当热解温度为1200℃时,合成的沥青衍生碳材料在1C电流密度下循环450圈,放电比容量达到559.0mAh/g,每圈库伦效率>99.2%,展现出了优异的锂离子存储性能。
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