炭气凝胶的制备及在超级电容器中的应用

论文摘要

炭气凝胶问世于上世纪八十年代末期，是一种具有独特性质的低密度、非晶态、纳米多孔材料，其性质和结构可在纳米尺度控制。与传统的无机气凝胶相比，炭气凝胶具有生物相容性、可以生物降解、导电性及原子序数低等性质，可用于高能物理、医学、热学、催化及电化学等领域。一经问世就成为气凝胶领域的研究热点，但由于制备周期长，生产成本高，限制了其应用。本文从寻找新的合成原料、简化制备工艺以及改善气凝胶结构等方面进行了研究，考察了炭气凝胶结构的影响因素，采用低温N2吸附、TG、SEM和IR等手段表征了炭气凝胶的微结构，并将炭气凝胶作为超级电容器电极材料进行研究。 以间苯二酚（R）和甲醛（F）为原料，碳酸钠（Cat）为催化剂，经溶胶-凝胶聚合、溶剂置换和常压干燥得到暗红色无裂纹的块状RF有机气凝胶，在惰性气氛下经高温炭化后得到炭气凝胶。在有机气凝胶的制备工艺中，通过调变反应物浓度和催化剂浓度控制气凝胶性质：随着催化剂浓度的降低，气凝胶密度变小，比表面积降低，孔径分布变宽。通过进一步活化对炭气凝胶的孔隙结构进行调节，考察了反应物浓度S=40％，催化剂浓度R／Cat-=500条件下制备的炭气凝胶在850℃下CO2活化时间对炭气凝胶孔隙结构的影响，发现在此温度下活化3h得到的炭气凝胶具有最高的比表面积。实验中首次通过向反应物体系中添加乙醇来实现对气凝胶孔隙结构的调变，随着乙醇添加量的增加，炭气凝胶比表面积和微孔表面积降低，外表面积增加，炭气凝胶孔径变小。 以廉价的混合甲苯酚（Cm）为原料，与甲醛在NaOH（Cat）催化剂下经溶胶-凝胶和常压干燥过程制备有机气凝胶，炭化后得到CmF炭气凝胶。氮吸附表征结果显示炭气凝胶具有较高的比表面积，具有典型的中孔特征。对在反应物中水（W）与Cm比（W／Cm）为10，Cm／Cat=60条件下制备的炭气凝胶进行CO2活化改性，考察了活化温度和活化时间对炭气凝胶孔隙结构的影响，发现活化温度在800～900℃之间活化时间为1h时，随活化温度的提高，活化效果增强；在活化温度为900℃时，活化2h得到的炭气凝胶具有最高的比表面积，为1418m2／g，继续增加活化时间对炭气凝胶的孔隙结构影响变小。 以RF炭气凝胶和CmF炭气凝胶作为超级电容器电极材料进行了电化学测试。结果表明，所用炭气凝胶在30％KOH水溶液中表现出良好的电容特性，在1mA／cm2电流密度下恒流充放电，RF炭气凝胶和CmF炭气凝胶的质量比电容分别为107F／g和78F／g：经CO2活化后比电容显著提高，S=40，R／Cat=500制备的RF炭气凝胶在850℃下CO2活化3h，比电容达到188F／g，W／Cm=10，Cm／Cat=60条件下制备的CmF炭气凝胶在

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 绪论
• 1 文献综述
• 1.1 炭气凝胶的基本特征和研究进展
• 1.1.1 气凝胶的发展概况
• 1.1.2 炭气凝胶的发展概况
• 1.2 炭气凝胶的制备工艺
• 1.2.1 溶胶-凝胶及老化过程
• 1.2.2 凝胶的干燥过程
• 1.2.3 炭化过程
• 1.3 炭气凝胶的基本特征
• 1.4 炭气凝胶的应用
• 1.4.1 炭气凝胶在电化学领域的应用
• 1.4.2 炭气凝胶作吸附材料
• 1.4.3 气凝胶作隔热材料
• 1.4.4 气凝胶的光学性能
• 1.4.5 在其它领域的应用
• 1.5 选题依据
• 1.6 主要研究内容
• 2 实验设备与方法
• 2.1 实验原料
• 2.2 实验设备
• 2.2.1 凝胶超临界干燥装置
• 2.2.2 有机气凝胶炭化装置
• 2.2.3 炭化收率和密度测定
• 2.3 气凝胶表征
• 2.3.1 扫描电镜形貌分析
• 2.3.2 热重分析（TGA）
• 2.3.3 孔隙结构分析
• 2.3.4 红外光谱（IR）分析
• 2.3.5 XRD分析
• 2.4 电化学测试
• 2.4.1 双电层电容器的工作原理
• 2.4.2 电极制作
• 2.4.3 电化学性能测试体系
• 2.4.4 循环伏安法
• 2.4.5 交流阻抗谱实验
• 2.4.6 恒电流充放电实验
• 2.4.7 循环性能测试
• 3 RF炭气凝胶的制备及改性
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 超临界干燥制备炭气凝胶
• 3.1.2 常压干燥制备炭气凝胶
• 3.1.3 炭气凝胶表征
• 3.2 实验结果
• 3.2.1 凝胶外观形态
• 3.2.2 合成条件对气凝胶密度的影响
• 3.2.3 RF气凝胶的热重分析
• 3.2.4 合成条件对炭气凝胶密度的影响
• 3.3 炭气凝胶的比表面积及孔容
• 3.4 炭气凝胶的显微结构
• 3.5 RF气凝胶制备过程中化学结构演变
• 2活化'>3.6 RF炭气凝胶的CO₂活化
• 3.6.1 活化温度的确定
• 2活化对炭气凝胶孔隙结构的影响'>3.6.2 CO₂活化对炭气凝胶孔隙结构的影响
• 3.7 乙醇对RF炭气凝胶结构的影响
• 3.7.1 实验
• 3.7.2 炭气凝胶的结构特性
• 3.8 RF炭气凝胶作双电层电容器电极材料的研究
• 3.8.1 恒流充放电行为的研究
• 3.8.2 循环伏安法
• 2活化对炭气凝胶电化学性质的影响'>3.8.3 CO₂活化对炭气凝胶电化学性质的影响
• 3.8.4 炭气凝胶电化学性质与孔隙结构的关系
• 3.9 小结
• 4 混甲酚甲醛炭气凝胶制备及电化学性能
• 4.1 实验内容
• 4.1.1 原料与试剂
• 4.1.2 凝胶制备
• 4.1.3 凝胶表征
• 4.2 合成条件对气凝胶性质的影响
• 4.3 有机气凝胶的热重分析
• 4.4 炭气凝胶的显微结构
• 4.5 炭气凝胶的孔隙结构
• 4.6 混甲酚甲醛气凝胶合成机理探讨
• 2活化对炭气凝胶孔结构的影响'>4.7 CO₂活化对炭气凝胶孔结构的影响
• 4.7.1 活化温度对炭气凝胶孔结构的影响
• 4.7.2 活化时间对炭气凝胶孔结构的影响
• 4.8 间苯二酚/甲苯酚甲醛气凝胶的制备
• 4.8.1 实验
• 4.8.2 CmRF炭气凝胶的结构特性
• 4.9 CmF炭气凝胶电极的电化学特性
• 4.9.1 恒流充放电行为的研究
• 4.9.2 循环伏安法
• 4.9.3 交流阻抗谱研究CmF电极的电容行为和阻抗行为
• 4.9.4 CmF炭气凝胶电极的Bode曲线
• 4.10 小结
• 5 溶胶-凝胶法制备多孔炭材料
• 5.1 实验方法
• 5.1.1 制备工艺
• 5.1.2 表征
• 5.2 溶胶凝胶法制备多孔炭材料反应机理的探讨
• 5.3 催化剂含量对炭材料结构的影响
• 5.4 炭化温度对炭材料结构的影响
• 5.5 本章小节
• 6 溶胶凝胶法制备多孔炭在电化学中的应用
• 6.1 实验方法
• 6.2 催化剂浓度对电极性质的影响
• 6.2.1 循环伏安法
• 6.2.2 交流阻抗法
• 6.2.3 恒流充放电法
• 6.3 炭化温度对电极性质的影响
• 6.4 多孔炭超级电容器漏电流测试
• 6.5 多孔炭电极能量与功率特性
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢