脲醛树脂基碳电极材料的制备及其性能研究

发布时间：2020-03-22 20:12

【摘要】：脲醛树脂(Urea-formaldehyde resin,简称UF)具有价格低廉、原料简单易得、操作简易且富含氮元素等优点,是一种重要的氨基树脂。目前,UF已成为国内外学者的研究热点,并将UF作为碳材料广泛应用于超级电容器领域中。但是,UF热稳定性较差,这一缺点限制了其在超级电容器领域中的应用。本文通过调控原料配比、杂原子掺杂、固化浓度以及模板法等方式改善其热稳定性能,保留较多的多孔结构,展现出较大的比表面积,得到电化学性能明显提升的脲醛树脂基碳材料。本文的主要研究内容如下:1.通过调节尿素与甲醛的摩尔比,成功的制备出不同粒径的脲醛树脂多孔微球,并且通过盐酸固化来增加脲醛树脂的交联程度,提高其在高温碳化过程中的热稳定性能,降低流动性。经过一系列表征,当尿素与甲醛的摩尔比为1:0.8时,固化后的样品展现出最佳的电化学性能。在1 A g~(-1)时的比电容值为101F g~(-1),在10 A g~(-1)时仍能保存63 F g~(-1),倍率性能可以达到62.4%。因此,脲醛树脂基碳材料的电化学性能得到明显改善,在超级电容器电极材料领域应用前景广阔。2.以UF作为碳源,硫脲作为氮源和硫源,制备出脲醛/硫脲醛共聚树脂。通过一系列表征及电化学性能测试探究硫脲的引入以及盐酸固化浓度对共聚树脂形貌以及电化学性能的影响。当固化浓度为2 mol L~(-1),由此制得的共聚树脂其多孔结构明显增多,并且在2 mol L~(-1)的H_2SO_4电解液中展现出最佳的电化学性能:在1 A g~(-1)的比电容值为187 F g~(-1),在10 A g~(-1)的电容值为120 F g~(-1),电容保持率可以达64.2%,表现出良好的倍率性能。3.以UF为碳源,二氧化硅作为支撑体掺入到脲醛树脂多孔微球的制备过程中,使其在高温碳化过程中能保持多孔微球的形貌,并且作为硬模板引入丰富的多孔结构,提高比表面积。当二氧化硅用量为1.0 g时,制得的脲醛树脂基多孔碳微球展现出最佳的电化学性能:在0.5 A g~(-1)时,其比电容值可达227 F g~(-1),且其在10 A g~(-1)时仍能保留107 F g~(-1),展现出良好的倍率性能,作为电极材料应用于超级电容器领域具有一定的研究价值。
【图文】：

形貌,样品,脲醛树脂,甲醛

2.2 结果与讨论2.2.1 形貌分析图2.1 样品UFPM-0.8（a、b、c）、GUFPM-0.8（d、e、f）以及样品GUFPM-1.5（h、i、g）在不同放大倍数下的扫描电镜图通过图 2.1 系统的分析了尿素与甲醛的摩尔比以及固化过程对脲醛树脂多孔微球形貌结构的影响。首先，图 2.1a、2.1b 以及 2.1c 展示的是样品 UFPM-0.8 的SEM 图片。由图 2.1a 观察可知，尿素与甲醛在 1:0.8 的摩尔比制备出的脲醛树脂均为球形形貌，分散性较好，而且球形结构完整、没有丝毫破损，这证明在此制备条件下脲醛树脂具有良好的成球趋势。球形形貌相比于块状体结构具有较大的比

扫描电镜图,放大倍数,样品,形貌

素在缩聚聚合的过程中，不断吸附溶液中的单体或者低聚合度的分子链以体型的方式散发式增长，最终形成体型网状结构。这种结构能够促使材料展现出较大的比表面积，拥有优秀的吸附性能。图 2.1d、2.1e 及 2.1f 展示的是样品 GUFPM-0.6SEM图。与经过 2mol L-1的盐酸水溶液固化后的 GUFPM-0.8 比较而言，其总体的形貌并没有太大的改变，，依旧保持了多孔的球形形貌。但是由于盐酸的固化作用，脲醛树脂微球的直径较 UFPM-0.8 言有一定程度的缩小，而且球形表面的多孔网状结构也部分收缩，使得孔径较小。这种体积的收缩主要是由盐酸的固化作用使得脲醛树脂的交联程度增加导致的。图 2.1h、2.1i 以及 2.1g 展示的则是在尿素与甲醛的摩尔比为 1:1.5 时制得的样品的扫描图。与 GUFPM-0.8SEM 结果相比，相同之处在于，GUFPM-1.5 的形貌也表现为多孔的球形形貌，这再次证明了脲醛树脂在制备过程中成球的趋势是十分强烈的。其不同之处在于，GUFPM-1.5 的球体直径明显得小于 GUFPM-0.8 直径，主要分布在 2μm 到 5μm 的范围内。而且，球体的分散性变差，甚至有一部分球球体团聚到一起形成块状形貌，但是大部分的样品还是保持着球形的形貌。这种球体直径的大幅度减小，分散性能的改变主要是由过量的甲醛引起的[99, 100]。
【学位授予单位】：齐鲁工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33;TM53

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