微孔—介孔炭材料的制备及其电容特性的研究

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多孔炭材料本身具有很好的性质,在催化、分离、水纯化、电学的储能等方面都有很高的应用价值。除锂离子电池外,还有另一种有巨大潜在应用价值的储电装置,即超级电容器(EDLCs)。通过硬模板法,即用预先制备好的多孔材料或纳米晶作为模板,在模板主体孔隙中填充客体前驱物,经原位转化而获得反相复制结构的一种方法,合成一系列具有可作为超级电容器电极的复合微孔-介孔多孔炭材料,由多孔结构制成结构有序的、孔大小可调的材料,使其具有微孔和介孔材料的双重优势,会极大的增大储能和传导性能,并进一步利用电化学工作站测试其电容以及循环性,能增加炭材料的应用价值,提高材料的相关性能。本论文以多孔炭为主要研究对象,使用了两种制备方法,一是硬模板法,二是硬模板法和软模板法结合使用,并考察了各个具有不同微介比的炭材料的循环伏安曲线,探讨了其孔结构对电容大小的影响,主要成果如下:1、为了达到设计合成孔比例不同的多孔炭材料的目的,我们首先优化了作为模板的分子筛。以Y型沸石晶种和正硅酸乙酯(TEOS)为两种不同的硅源,通过调节二者的比例,与表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)自组装,可以控制得到结构有序的、微介比不同的二氧化硅。以这样一系列的二氧化硅作为硬模板,采用呋喃甲醇(FA)为炭前驱体,只用液相浸渍法,再氮气保护高温炭化,制备具有高比表面积和适宜孔径分布的多孔炭。2、继续研究此系列多孔炭的电容性能的差异,我们测试了这一系列炭材料的循环伏安曲线。结果表明,炭材料的比表面积越大,电容越大;除了比表面积的影响外,微孔和介孔的含量也是影响电容的重要因素。对于具有几乎相同的比表面积、不同的微孔-介孔比例的炭材料来说,其比电容的大小虽然几乎相同,但当降低扫速时,含有微孔多的多孔炭的电容增加幅度大。我们探索适合于双电层电容器炭电极材料的合适模板分子筛,希望能为进一步研究用作EDLCs的高性能多孔炭电极材料提供理论与实验依据。3、本论文把合成方法由硬模板法拓展到了硬模板法与软模板法同时使用来制备多级孔炭材料,此方法减少了制备过程的步骤,在温和的制备条件下,通过刚性的分子筛和柔性的表面活性剂的自组装,得到了类似核壳结构的微孔-介孔多级孔炭材料,即其核是规则排列的介孔结构,而壳是由大量的微孔组成。对于这种炭材料的应用,还在继续摸索中。
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