新型炭材料的制备及其电化学性能研究

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在本工作中,我们利用无毒而且廉价的有机化合物和醋酸盐作为碳源,用溶剂热法、水热法、热分解法等制备方法合成了一系列新型炭材料,并用X射线衍射分析仪对材料的物相和结构进行了分析,扫描电子显微镜和透射电子显微镜被用来观察材料的形貌,表面孔结构和比表面积的分析在全自动比表面积和孔隙度分析仪上进行,用拉曼光谱仪对材料的石墨化程度进行了分析,电化学性能测试在CHI 660B电化学工作站上进行。利用蔗糖作碳源,采用水热法在相对温和的条件下制得了形貌单一、大小均匀、分散性良好的炭微球,用比表面测定仪测得其比表面积为22.3m~2/g,平均孔径大小为2.4nm,属于中孔范畴;另外,我们还采用柠檬酸等作碳源,同样制得了形貌较好的炭微球;用酚醛树脂和醋酸镁作碳源,分别在600℃下高温炭化15h、20h、25h,均制得了形貌单一、厚度较薄的炭微片,测得其比表面积和平均孔径分别为8.07m~2/g和11.48nm,炭微片的中孔结构有利于其作电极材料时电解液的传输;用醋酸镁和乙醇作碳源,在600℃下炭化15h也能得到分散性良好的炭微片;另外,我们还用醋酸锌、乙醇等无毒廉价的化合物为碳源,在不同的条件下制得了一系列椭球型炭和碳微管;为新型炭材料的制备开发了新途径。电极材料的物理化学性能是影响超级电容器电容性能的关键。为了制得理想的电极材料,我们对形貌较好的炭微球和炭微片进行了强碱活化研究。对活化前后炭材料的形貌、比表面积、孔径分布等进行了比较,并用循环伏安法和恒电流充放电法对活化前后的炭材料进行了电化学性能的研究。结果发现,炭球经过活化后,球体大小由2~5μm减小到了100~150nm,比表面积也大大增加,从22.3m~2/g增加到最大2039.1m~2/g,但孔径有所减小;炭球经过活化后电化学性能得到了大大的提高,比电容从活化前的0.0311 F/g增大到了158.8 F/g。炭片经过活化后形貌也发生了很大的变化,表面产生了很多孔结构,而且很多呈现了毛绒状,表面变得不再光滑。活化后的炭片比表面积增加了60~80倍,但平均孔径也有所减小;比电容从活化前的0.32 F/g增加到了最大260.7 F/g,有望成为理想的超级电容器电极材料。
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