论文部分内容阅读
近几年，球形炭气凝胶由于其独特的结构性能在超级电容器和储氢等方面有着广阔的应用前景，引起人们越来越多的关注。本论文以2，4-二羟基苯甲酸钾（D）和甲醛（F）为原料，碳酸钾（C）为催化剂，通过溶胶-凝胶和乳液聚合方法来制备球形炭气凝胶。采用低温N2吸附、IR、TG-DSC、SEM、TEM和粒径分析等手段研究了炭气凝胶的形貌和微观结构特征。考察了炭气凝胶粒径、球形度、比表面积和孔分布的影响因素。发现搅拌速度、表面活性剂量、催化剂添加量和炭化对气凝胶的粒径分布有不同程度的影响，但制备条件对气凝胶的球形度影响很小。超临界干燥的样品的比表面积比常压干燥的大。比表面积随着催化剂添加量的增大而增加。通过离子交换法分别将Fe、Co和Ni掺杂到气凝胶中。炭化后，气凝胶仍是规整的球形结构，但颗粒的内部结构中出现了纳米金属颗粒和纳米石墨带；石墨层间距均在0.34nm左右。N2吸附测试发现掺杂金属后，炭气凝胶的比表面积均下降，但孔径都变大。掺杂Ni的样品中，金属的质量分数最高达13.84％。考察了不同活化方式对炭气凝胶结构和性能的影响。用KOH和水蒸气进行活化，样品均保持了规整的球形结构。用KOH活化时，随着温度升高，产物收率降低，但吸附性能提高；活化温度为800℃时，样品的比表面积增大至2000m2／g，孔径呈多元分布。水蒸气活化后，收率比KOH活化的高，其碘吸附值为491m2／g。以球形炭气凝胶作超级电容器的电极材料进行恒流充放电测试和循环伏安测试。结果表明，电极反应主要为双电层电容上的电荷转移反应，具有充放电效率高、性能稳定等优点。超级电容器的比电容随着催化剂添加量的增大而增大，在超临界干燥下，2，4-二羟基苯甲酸和催化剂的摩尔比为100的样品具有最高的比电容，达142F／g。经KOH活化后，样品的比电容都比未活化的高；当KOH与炭气凝胶质量比为4：1时，比电容最高为195F／g。掺杂金属后，样品的比电容都显著下降。电化学储氢测试表明，催化剂添加量对储氢容量有影响。DC500的样品的储氢容量最高，首次放电容量为57.4mAh／g。掺杂金属后，样品首次放电容量显著提高，但稳定后，样品的储氢容量均衰减55％以上。