新型中空微孔炭納米球的可控制備及其儲能特性研究.pdf

1、中空炭納米球(Hollow Carbon Nanospheres, HCNS)是一種具有獨特的中空腔結(jié)構(gòu),同時炭殼層厚度在納米尺寸范疇的新型納米炭材料。除了具備一般炭材料的性質(zhì)以外,由于其中空腔結(jié)構(gòu)形成的高孔容特點,在能源、氣體儲存、吸附分離和催化等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著多孔高分子材料的迅速發(fā)展,利用多孔高分子材料構(gòu)筑中空炭納米球逐漸成為該領(lǐng)域的研究熱點。然而可供選擇的炭前驅(qū)體種類有限,僅限于具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的或者在炭化過程能夠形成交聯(lián)結(jié)

2、構(gòu)的聚合物,大大制約了HCNS的開發(fā)及應(yīng)用。
　　基于此,本文采用 SiO2納米球為模板,以聚苯乙烯為前驅(qū)體,設(shè)計制備了具有豐富微孔結(jié)構(gòu)的HCNS,研究了所得材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控及其在能源儲存領(lǐng)域的應(yīng)用。取得的研究成果如下:
　　(1)采用SiO2納米球為模板,通過乳液聚合制備了SiO2@PS納米球,隨后利用超交聯(lián)技術(shù)(Hypercrosslinking)實現(xiàn)具有三維納米網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)的聚苯乙烯殼層的構(gòu)筑。進一步,通過炭化處理以及去

3、除模板后,得到了殼層具有豐富微孔結(jié)構(gòu)的HCNS。由于超高交聯(lián)結(jié)構(gòu)的聚苯乙烯納米網(wǎng)絡(luò)具有很好的剛性,三維納米網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)在常壓干燥后被保留下來,實現(xiàn)高分子的微孔化。另外,所得到 HCNS的殼層具有豐富微孔結(jié)構(gòu),主要來源于前驅(qū)體三維納米網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)在炭化過程繼承以及炭化過程引入的微孔。
　　(2)研究結(jié)果表明超交聯(lián)反應(yīng)時間對 HCNS的形貌和微孔結(jié)構(gòu)影響顯著,反應(yīng)時間較短時,HCNS發(fā)生嚴重的燒結(jié)情況,同時伴有微孔消失的現(xiàn)象;隨著反應(yīng)

4、時間延長,HCNS能夠保持良好的球形貌,以及出現(xiàn)兩種不同孔徑的微孔結(jié)構(gòu)。另外,最優(yōu)化的炭化工藝條件為:炭化溫度為900 oC,升溫速率為5 oC/min,以及炭化時間為3h。此條件下的HCNS比表面積為988 m2 g-1,總孔容為1.36 cm3 g-1。
　　(3)HCNS作為超級電容器電極材料,在6 M KOH電解液中,即使電流密度增加到10 A g-1,比電容量依然保持在113 F g-1,體現(xiàn)出理想的雙電層電容行為。作為