泡沫碳基碳質(zhì)電極材料的制備及其電化學性能.pdf

1、碳質(zhì)電極是最早進行工業(yè)化生產(chǎn)并一直沿用至今的超級電容器電極材料，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在高的比表面積和優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性方面。泡沫碳作為典型的3D網(wǎng)狀分級多孔碳質(zhì)材料，在超級電容器、鋰離子電池等領域表現(xiàn)出極大的應用前景。但由于泡沫碳傳統(tǒng)模板法制備技術的局限性，其孔尺寸分布范圍較窄，多以微米級孔(100-200μm)為主，比表面積難以滿足超級電容器的需求。因此，從泡沫碳的制備技術出發(fā)，改善其孔尺寸分布，并針對其微米孔進行修飾，提高比表面積，是實現(xiàn)分

2、級多孔泡沫碳電極在超級電容器中應用的關鍵?；诖?，本論文提出以本征具有多尺寸分布特征的液相泡沫為軟模板，結合微波固化及冷凍固化技術制備分級多孔結構泡沫碳，并在泡沫碳的制備過程中，將催化劑前驅體和氧化石墨烯引入樹脂體系，通過催化劑高溫催化作用和水熱技術于泡沫碳孔壁上原位生長碳納米管和石墨烯氣凝膠，實現(xiàn)泡沫碳微米級孔的修飾，提高比表面積。具體研究結果如下:
　　(1)以液相泡沫為軟模板，結合微波固化法和冷凍固化法制備出微波固化泡沫碳(

3、W-CF)和冷凍固化泡沫碳(F-CF)，系統(tǒng)研究了炭化溫度對兩種固化方式得到的泡沫碳的結構及電化學性能的影響。結果表明:經(jīng)微波固化和冷凍固化處理，W-CF和F-CF試樣均較好的保存了液相泡沫原有的多尺寸分布孔結構，且在泡沫碳微米孔內(nèi)壁形成了一定量樹脂裂解產(chǎn)生的納米孔;隨著炭化溫度升高，兩種泡沫碳試樣的比表面積和比電容量均呈降低趨勢;炭化溫度為800℃時，W-CF和F-CF試樣的比電容達到最大，在0.5A/g電流密度下比電容分別為135.

4、5F/g和120.9F/g。
　　(2)在(1)的基礎上，引入催化劑前驅體，通過高溫催化作用在泡沫碳孔壁上原位生長一維碳納米管，對其孔結構進行修飾。結果表明:對于碳納米管修飾微波固化泡沫碳，其仍然保持分級多孔結構。炭化溫度升高時，泡沫碳的比表面積、平均孔徑增大，比電容隨之增大，內(nèi)阻減小。當增加催化劑量時，泡沫碳中催化生長出的碳納米管量增加，但比電容有所降低。在炭化溫度為1200℃，催化劑量為1wt％時，碳納米管修飾微波固化泡沫碳獲

5、得最大的比表面積及比電容，分別為277.4m2/g和53.1F/g。對于碳納米管修飾冷凍固化泡沫碳，當升高炭化溫度時，其比表面積、平均孔徑等略有提升，但其比電容變小，內(nèi)阻增大。當催化劑量增加時，泡沫碳的孔中催化生長出的碳納米管增多，此時泡沫碳的比表面積、比電容均有所提升。在炭化溫度為1000℃，催化劑加入量為2wt％時，碳納米管修飾冷凍固化泡沫碳獲得最大的比表面積及比電容，分別為160.5m2/g和66.1F/g。
　　(3)在(

6、1)中泡沫碳制備的基礎上，分別采用模板法和溶膠-凝膠法制備石墨烯氣凝膠修飾分級多孔泡沫碳，系統(tǒng)的研究兩種方法制備出的泡沫碳的結構與性能。結果表明:在模板法制備的石墨烯氣凝膠修飾泡沫碳(W-CF/GA1和F-CF/GA1)中，多孔結構的石墨烯氣凝膠填充在泡沫碳的孔中，對泡沫碳的孔進行修飾，使泡沫碳的石墨化程度提高，表面積顯著提升，最終使其電化學性能得到改善。模板法制備的兩種泡沫碳的比表面積分別為559.7m2/g和981m2/g，比電容分

7、別為0.5A/g下158F/g和178.5F/g。在溶膠-凝膠法制備的石墨烯氣凝膠修飾泡沫碳（W-CF/GA2和F-CF/GA2）中，多孔結構的石墨烯氣凝膠同樣填充在泡沫碳的孔中與泡沫碳之間結合較為緊密，對泡沫碳的孔結構進行修飾改善，提高泡沫碳的石墨化程度，明顯提高泡沫碳的比表面積及比電容，降低電極材料的內(nèi)阻。溶膠-凝膠法制備的W-CF/GA2和F-CF/GA2的比表面積分別為785.8m2/g和737.6m2/g，比電容分別為0.5A