新型多孔碳材料的制备、表征及性能研究

多孔碳材料具有质轻、比表面积大、导电性好、物理和化学稳定性高等优点,在吸附、催化和能源储存等方面有着非常广泛的应用。本论文中,我们发展了一种以溶胶-凝胶模板法制备形貌和结构可调控的多孔碳纳米粒子方法,通过选择合适的模板,控制反应条件来调控碳纳米粒子的形貌和孔结构。这种方法中,间苯二酚(R)-甲醛(F)为碳源,商业遮盖聚合物OP空心球作为模板,去离子水(W)和乙醇(E)作为溶剂和分散剂,溶胶-凝胶模板法制得聚合物粒子,在惰性气氛下高温碳化得到不同形貌和结构的碳纳米粒子。利用SAXS技术对碳纳米粒子孔结构进行系统的表征分析,研究各种反应条件,例如碳源浓度、分散剂组成、不同的后期处理和活化条件等,对碳纳米粒子孔结构和形貌的影响。当碳源浓度为2N,分散剂为去离子水,不经过后期处理(pH-8)时,高温碳化活化得到的碳纳米粒子为单分散的分层次多孔碳纳米球。多孔碳纳米球具有较低的石墨化程度,它是由较小的石墨微晶组成的无定型碳；其表面主要由C元素组成,且含有少量的O元素；多孔碳纳米球具有分层次多孔网络结构,同时具有大孔、介孔和微孔,C02活化可以有效的改善多孔碳纳米球的孔结构,使其拥有更高的比表面积和更多的微孔。电化学测试表明分层次多孔碳纳米球拥有优良的循环伏安特性、充放电性能,具有较低的交流阻抗和很长的循环寿命,活化后其具有较高的比电容值。当碳源浓度为2N,分散剂为去离子水和乙醇,它们的体积比为1：1,经过碱或酸后期处理(pH>10或pH≤6)时,高温碳化得到的碳纳米粒子为单分散的分层次多孔碳纳米碗。多孔碳纳米碗表面主要组分为C元素,其主要以芳香环结构的石墨微晶形式存在：碳纳米碗表面含有少量的O元素,其主要为酚醛凝胶高温热解残留的酚羟基或吸附水分子。碳纳米碗具有特殊的碗状结构,与空心球和半球状结构相比,碗状结构具有优异的堆栈效果,这使碳纳米碗具有较高的单位体积比表面积和堆积密度。碗状结构和分层次多孔网络结构使碳纳米碗拥有优良的循环伏安特性、充放电性能,具有较低的交流阻抗和很长的循环寿命,尤其是在高倍率下具有优秀的电化学性能。