基于嵌段共聚物xPS-b-PMMA的多孔炭材料的制备及其电化学性能

发布时间：2020-11-06 01:47

　　 本文对双电层超级电容器的最新研究进展进行了详细综述,并深入系统地研究了多孔炭材料中孔径分布和比表面积及其多孔炭材料表面官能团与双电层电化学性能之间的相互关系,这是一个尤为重要的前沿基础科学问题。然而,遗憾的是对这一问题都没有进行深入、系统地研究,均处于定性的说明或简要阐述,并没有有力的实验佐证。造成这种现象的主要原因:一方面是由于体系的复杂性;而另一方面是由于炭材料结构的不可控性。综合上述原因,本课题提出直接炭化交联嵌段共聚物来制备分级多孔炭材料,并系统研究其双电层电化学性能。本课题的主要研究思路为:(1)合成分子量可控的嵌段共聚物;(2)傅克反应发生使聚合物交联;(3)制备分级多孔炭材料;(4)测试并组装为高性能超级电容器,也就是通过控制嵌段共聚物中牺牲链段的分子量分布即体积分数来调控其形态结构,进而在炭化过程中调控多孔炭材料中的孔径大小及分布,然后研究多孔炭材料中孔结构、孔径大小和比表面积与双电层电化学性能之间的相互关系。其主要研究内容如下:(1)苯乙烯(St)和甲基丙烯酸甲酯(MMA)作为聚合物的单体,以Cu~IBr/BPY为催化剂,采用MBP作为引发剂,在EC溶剂中采用原子转移可控自由基聚合方法(ATRP)成功合成嵌段共聚物PS-b-PMMA。在此基础上进行傅克反应使嵌段共聚物中PS的苯环发生交联,得到交联的嵌段共聚物x PS-b-PMMA。所合成的大分子引发剂PS-Br的数均分子量为15281 g mol~(-1)并在合成过程中,使“保留”链段分子量(x PS段)保持不变,控制其聚合反应的条件制备一系列分子量分布较窄的嵌段共聚物,其分子量分别为19011、21368、22918和25933 g mol~(-1),其中PMMA的体积分数(f_(PMMA))分别为19.62%、28.49%、33.42%和41.28%。经高温炭化,成功制备了具有较高比表面积和分级多孔结构的炭材料。作为超级电容器的电极材料,HPC_5在电流密度为0.5 A g~(-1)时,展现出较高的比电容为204 F g~(-1),表现出较好的倍率性能和优异的循环稳定性。(2)采用KOH和HNO_3为活化剂对前驱体进行化学活化处理,并选择合适的活化条件。当活化温度为700℃,时间为2 h,且KOH及HNO_3与前驱体的质量比均为1:1时,制备了具有高比表面积的层级多孔炭材料,且其比表面积高达2436 m~2 g~(-1),孔径分布主要集中在1.8~3 nm,孔体积为1.2 cm~3 g~(-1)。该电极材料在电流密度为0.5 A g~(-1)时其比容量为382 F g~(-1)并当电流密度增大至10 A g~(-1)时,其倍率性能为73%。该电极表现出如此优异的电化学性能主要归因于其较高的比表面积和独特的孔结构和孔径分布以及少量的含氧官能团。
【学位单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ127.11;TM53
【部分图文】：

基于嵌段共聚物 xPS-b-PMMA 的多孔炭材料的制备及其电化学性能容器的分类器根据其储能机理，将其可分为两类：双电层电容器和法容电容器）。层电容器容器主要是基于静电相互作用机理，进而形成双电层来储器件。早在 1879 年，首次由德国物理学家 Helmhotz 提出ouy、Chapman 及 Stern 等人不断完善，最终才得以形成比-23]。该理论认为，将电极插入电解液内并在一定外加电场分子间力及原子间力的作用，带相反电荷的电解液离子将，从而在电极表面形成电子双电层[24-25]。图 1.1 为双电层充电过程中，电子通过外电路从正极流向负极，而电解液正负极迁移，进而形成电子双电层，通过静电相互作用形储存能量的目的。放电过程中，由于电势差的存在，使得发生定向移动，从而形成外电路电流。

赝电容[52-53]。此外，有些表面官能团也会改度地提升其比表面积的利用率，进而增加其。当然，也并不是表面官能团的含量越高越材料的内阻加大和电容器的循环寿命降低。应制备具有适宜含量官能团的多孔炭材料作料电化学性能的重要手段。自由基聚合（ATRP）为链式聚合反应，其主要包括链引发、链增过程中所加入的引发剂通过吸热或光等能量聚合。自由基聚合中所适用的单体一般为带合过程中，自由基活性较高，聚合速率快，止是指聚合过程中自由基活性消失，形成了的方法是溶液聚合和本体聚合，制得的聚合重影响了聚合物的性能。

电容之间的相互关系提供了重要方向。内容研究内容是：采用原子转移可控自由基聚合较窄的嵌段共聚物（PS-b-PMMA），然后经聚苯乙烯与甲基丙烯酸甲酯的嵌段共聚物体高温炭化制得分级多孔炭材料。探究嵌段分布或其体积分数对多孔炭材料孔结构和究其与双电层电化学性能之间的相互关系等：物（xPS-b-PMMA）作为多孔炭材料的前驱材料的孔径大小和分布，所以分析牺牲链段以理论分析孔结构参数（主要为孔径大小）通过大量实验来验证其理论的正确性，再反分层多孔炭材料。：
【参考文献】

相关期刊论文 前3条

1 Ming-Xian Liu;Ling-Yan Chen;Da-Zhang Zhu;Hui Duan;Wei Xiong;Zi-Jie Xu;Li-Hua Gan;Long-Wu Chen;;Zinc tartrate oriented hydrothermal synthesis of microporous carbons for high performance supercapacitor electrodes[J];Chinese Chemical Letters;2016年03期

2 汪勇;孔令斌;李晓明;冉奋;罗永春;康龙;;嵌段共聚物直接热解法制备介孔炭材料及其在超级电容器中的应用（英文）[J];新型炭材料;2015年04期

3 孙天鸣;董利民;王晨;郭文利;王莉;梁彤祥;;孔隙率对炭材料电阻率的影响(英文)[J];新型炭材料;2013年05期

本文编号：2872488