多孔碳材料的制备及其性能研究

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多孔碳材料具有质量轻、韧性高、模量高、稳定性好、耐高温、耐酸碱、无毒、吸附能力好、易于加工等优良性能,因而被众多领域所关注。近年来,碳材料学科的发展速度非常之快,特别是在新型绿色储能器件——超级电容器中的研究与应用。超级电容器具有比功率大,比容量高,使用寿命长以及环境友好等诸多优点,吸引了广大科学研究人员以及各国政府部门的广泛关注。多孔碳类材料可以作为超级电容器核心部件电极的储能材料,自然成为研究的热点。本文以原料丰富的淀粉为溶胶-凝胶前驱体的碳源,采用原位模板碳化法,制备前驱体溶胶-凝胶时,在前驱体中同步合成模板物质,高温碳化后酸洗去除模板最终得到制备的多孔碳材料。本文详细讨论了制备过程中的不同工艺参数(模板前驱体与碳源的比例、碳化温度等)对材料形貌、结构以及使用性能的影响。主要内容如下:   1.在制备淀粉溶胶过程中,同步形成了模板前驱体柠檬酸钙;高温碳化得到含碳酸钙模板的复合物,再经醋酸洗脱模板物质得到蠕虫状孔道的多孔碳材料。通过控制溶胶-凝胶前驱体中模板与碳源的比例来调控碳酸钙在复合物中的含量,达到调节孔密度和孔径大小的目的。其中各实验温度获得CaC30材料的孔径主要为2 nm左右,部分其它尺寸的孔与之共同构成层级孔结构。   2.研究并比较了CaC20-650、CaC30-650和CaC50-650的电化学性能,考察了这些碳材料在6 M KOH溶液中的超级电容器性质。在0.5 C的放电倍率下比容量分别为156 F/g、180 F/g和168 F/g;恒流充放电测试结果表明这三种碳电极材料的循环稳定性良好;交流阻抗测试研究了这三种材料的电极过程动力学,各材料阻抗均由接触电阻和法拉第电化学过程的容抗以及扩散部分的阻抗共同作用,阻抗值均较小,有良好的电导率。   3.对容量最大的CaC30-650材料进行倍率测试,在0-1V下,分别以0.5C、1.0 C和1.5 C的电流密度对其进行恒流充放电测试,结果表明,该材料具有良好的倍率性能。   4.本文还考察了该碳电极材料电催化氧化葡萄糖。循环伏安结果表明该碳电极材料料对葡萄糖具有明显的电催化氧化作用,其中CaC30-650的响应时间最短,响应电流最大,但在准确度和重复性方面还有待于提高,还需进一步研究。
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