多级孔碳材料的制备及其电化学性能研究
发布时间：2022-01-26 01:27
近年来,随着经济的飞速发展,人类对能源的需求量也开始急剧提升,化石能源遭到大规模开采和使用,能源危机以及环境问题也日趋严重。因此转变当前能源结构,开发清洁无污染的可持续发展的能源储存和转换装置迫在眉睫。多级孔碳材料由于其丰富且易调控的孔道结构、优异的导电性和稳定性以及多样性的表面元素掺杂等特性决定其在能源储存和转换等电化学应用领域有着巨大的潜力。然而多级孔碳材料的石墨化程度、比表面积、孔径分布以及表面官能团掺杂等因素都会影响材料的电化学性能。而这些材料性质之间又存在着相互制约,因此只有针对于不同的电化学应用作为出发点,来精确调控设计出具有不同结构和协同作用的多级孔碳材料,才能获得具有最优化的电极材料。基于以上问题,本文设计、制备了一系列新型多级孔碳电极材料,系统研究了孔道结构和表面性质的调控对电化学性能的影响,为大规模提升多级孔碳材料在不同电化学领域的应用提供了理论和实验支持。（1）研究表明,提高电容器电极材料的比表面积不一定能提升电容性能,原因是有些孔道尺寸过小以及连通性较差,难以被电解质离子接近,成为无效孔道。本文通过泡沫框架辅助并利用软硬模板相结合的方法合成了具有超高质量比电容和...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
为不同孔径大小的碳材料透射电镜图[26]
重庆大学博士学位论文4效控制。有序介孔碳材料也在一段时间内被广泛的应用于超级电容器、燃料电池催化剂以及锂硫电池等电极材料上[39,40]。多级孔碳材料：目前，有着比单一有序介孔材料更高孔隙率、更大比表面积以及多种孔道结构相互连通的多级孔碳材料（如图1.2）在多种能源催化领域的实际应用中起到了举足轻重的作用[41-44]。在超级电容器中，多级孔结构的存在，使得原本电解质难以接近的表面和孔道（如微孔和小介孔）能够得到利用，从而也就提高了材料的能量储存性能。特别对于体积较大的电解质以及快速的反应过程，良好的孔道结构所提供的优异传质和扩散效率更加至关重要。同样在燃料电池电极催化反应中，活性位点绝大部分位于催化剂微孔和较小的介孔的孔壁周围，而多级孔结构的存在，可以使得大孔、介孔与微孔孔道相互连通，极大促进了反应过程中反应物和产物的传质和扩散，从而使得催化剂中更多的活性位点能够有效地暴露在反应的三相界面上，也就进一步提高了催化剂催化活性。并且多级孔碳材料还能够通过在孔道中原位修饰Pt、Fe等物质不仅可以改善多级孔碳材料的电化学性能，还能通过高孔隙率、大比表面积来提高金属元素的分散性，以及微孔或介孔的限域作用还能进一步提高金属元素的稳定性，从而提高整体电极材料的电化学性能，进而可以被广泛应用于超级电容器、燃料电池等储能和能量转换领域[45,46]。图1.2多级孔碳材料OHNS(a)和OHNC(b)的扫描电镜图[47]。Fig.1.2SEMimagesforOHNS(a)andOHNC(b).
1绪论51.2多级孔碳材料的制备方法1.2.1传统活化法制备多级孔碳传统的多级孔碳材料主要以活性碳为代表，其特点一般为具有超高比表面积和微孔孔体积，并采用传统的物理或化学活化法来制备得到的。其碳源有着非常广泛的来源，主要包括生物质类、石油化工原料类、以及各种高分子类等自然界中广泛存在的碳基原料[48-51]。如图1.3所示，各种类型的生物质碳基原料在进过一系列物理或化学活化处理后，即可得到不同类型的传统多级孔碳材料。图1.3各种生物质多孔碳材料：（a）野西瓜苗花[52]，（b）贝壳[53]，（c）硅藻[54]，（d）孔雀羽毛[55]，（e）竹子[56]，（f）稻草[57]。Fig.1.3Variousbiomassporouscarbonmaterials:(a)wildwatermelonseedlings,(b)shells,(c)diatoms,(d)peacockfeathers,(e)bamboos,(f)straw.而根据制备多级孔碳材料时所采取活化方式的不同，活化方法可分为物理活化法、化学活化法以及联合活化法。物理活化法主要是指在较高温度下通入氧化性的气体来对碳源进行高温氧化腐蚀作用来获得多级孔碳的方法[58,59]。在高温活化过程之前，要先利用高温环境对材料进行煅烧碳化处理，来尽可能的除去挥发性小分子以及易分解物质从而使生物质或前驱体先一步碳化成具有一定孔道结构和强度的碳中间产物。一般这个阶段所得到的碳化材料只有着通过高分子分解以及小分子物质挥发所留下的孔道结构，不仅孔体积非常小，孔道结构也不易连通，从而难以实际应用。而碳中间
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳纳米管和石墨烯材料在柔性超级电容器中的应用（英文）[J]. 李康,张进涛. Science China Materials. 2018(02)
[2]导电聚合物超级电容器电极材料[J]. 涂亮亮,贾春阳. 化学进展. 2010(08)
[3]氧化钌在法拉第准电容器中的应用研究进展[J]. 陈斌,张剑荣,姜立萍,朱俊杰,方慧群,陈卫东,顾义明,丁继华. 电子元件与材料. 2001(05)
本文编号：3609535
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
为不同孔径大小的碳材料透射电镜图[26]
重庆大学博士学位论文4效控制。有序介孔碳材料也在一段时间内被广泛的应用于超级电容器、燃料电池催化剂以及锂硫电池等电极材料上[39,40]。多级孔碳材料：目前，有着比单一有序介孔材料更高孔隙率、更大比表面积以及多种孔道结构相互连通的多级孔碳材料（如图1.2）在多种能源催化领域的实际应用中起到了举足轻重的作用[41-44]。在超级电容器中，多级孔结构的存在，使得原本电解质难以接近的表面和孔道（如微孔和小介孔）能够得到利用，从而也就提高了材料的能量储存性能。特别对于体积较大的电解质以及快速的反应过程，良好的孔道结构所提供的优异传质和扩散效率更加至关重要。同样在燃料电池电极催化反应中，活性位点绝大部分位于催化剂微孔和较小的介孔的孔壁周围，而多级孔结构的存在，可以使得大孔、介孔与微孔孔道相互连通，极大促进了反应过程中反应物和产物的传质和扩散，从而使得催化剂中更多的活性位点能够有效地暴露在反应的三相界面上，也就进一步提高了催化剂催化活性。并且多级孔碳材料还能够通过在孔道中原位修饰Pt、Fe等物质不仅可以改善多级孔碳材料的电化学性能，还能通过高孔隙率、大比表面积来提高金属元素的分散性，以及微孔或介孔的限域作用还能进一步提高金属元素的稳定性，从而提高整体电极材料的电化学性能，进而可以被广泛应用于超级电容器、燃料电池等储能和能量转换领域[45,46]。图1.2多级孔碳材料OHNS(a)和OHNC(b)的扫描电镜图[47]。Fig.1.2SEMimagesforOHNS(a)andOHNC(b).
1绪论51.2多级孔碳材料的制备方法1.2.1传统活化法制备多级孔碳传统的多级孔碳材料主要以活性碳为代表，其特点一般为具有超高比表面积和微孔孔体积，并采用传统的物理或化学活化法来制备得到的。其碳源有着非常广泛的来源，主要包括生物质类、石油化工原料类、以及各种高分子类等自然界中广泛存在的碳基原料[48-51]。如图1.3所示，各种类型的生物质碳基原料在进过一系列物理或化学活化处理后，即可得到不同类型的传统多级孔碳材料。图1.3各种生物质多孔碳材料：（a）野西瓜苗花[52]，（b）贝壳[53]，（c）硅藻[54]，（d）孔雀羽毛[55]，（e）竹子[56]，（f）稻草[57]。Fig.1.3Variousbiomassporouscarbonmaterials:(a)wildwatermelonseedlings,(b)shells,(c)diatoms,(d)peacockfeathers,(e)bamboos,(f)straw.而根据制备多级孔碳材料时所采取活化方式的不同，活化方法可分为物理活化法、化学活化法以及联合活化法。物理活化法主要是指在较高温度下通入氧化性的气体来对碳源进行高温氧化腐蚀作用来获得多级孔碳的方法[58,59]。在高温活化过程之前，要先利用高温环境对材料进行煅烧碳化处理，来尽可能的除去挥发性小分子以及易分解物质从而使生物质或前驱体先一步碳化成具有一定孔道结构和强度的碳中间产物。一般这个阶段所得到的碳化材料只有着通过高分子分解以及小分子物质挥发所留下的孔道结构，不仅孔体积非常小，孔道结构也不易连通，从而难以实际应用。而碳中间
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳纳米管和石墨烯材料在柔性超级电容器中的应用（英文）[J]. 李康,张进涛. Science China Materials. 2018(02)
[2]导电聚合物超级电容器电极材料[J]. 涂亮亮,贾春阳. 化学进展. 2010(08)
[3]氧化钌在法拉第准电容器中的应用研究进展[J]. 陈斌,张剑荣,姜立萍,朱俊杰,方慧群,陈卫东,顾义明,丁继华. 电子元件与材料. 2001(05)
本文编号：3609535
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