新型碳納米材料的合成、表征與電化學(xué)性能改進(jìn).pdf

1、化石燃料（包括煤、石油、天然氣等），作為傳統(tǒng)能源主要的擔(dān)載形式，目前正面臨著短缺甚至枯竭的境況，同時(shí)這類傳統(tǒng)能源形式已經(jīng)對環(huán)境造成不可逆的破壞。然而，現(xiàn)有的可替代的能源形式如風(fēng)能、太陽能、核能及水能發(fā)電對于整體能源架構(gòu)的占有卻仍舊有限，所以必須發(fā)展新型的能源形式，可以清潔高效可持續(xù)地供給人類生產(chǎn)生活所需的能源，同時(shí)，這類新型能源有效的存儲也具有較高的科研及實(shí)驗(yàn)價(jià)值。在這些新型能源產(chǎn)生的方式方法中，燃料電池和太陽能電池是較為可行的兩種方式

2、，起步均為較早，但限于整裝器件的成本考慮（如燃料電池需要用到大量儲量較少的貴金屬鉑、太陽能電池需要用到較多的高質(zhì)量的硅材料等），一直沒有得到廣泛的商業(yè)應(yīng)用，除非這些器件的電極材料可以得到較為經(jīng)濟(jì)的解決方式。此外，對于能量的高效可逆存儲（主要針對電能的存儲釋放），合適的電極材料也是較為關(guān)鍵的技術(shù)性問題。
　　針對能量的經(jīng)濟(jì)、高效、穩(wěn)定的轉(zhuǎn)化和能量的高效可逆存儲釋放，論文作者，基于整裝器件的高性能低成本考慮，致力通過新型碳納米材料的制

3、備與表征，開發(fā)得到一系列高性能電極材料，作為能量的轉(zhuǎn)化和存儲之用。同時(shí)，所提出的一系列碳納米材料合成相關(guān)的觀點(diǎn)亦可以充實(shí)本領(lǐng)域碳材料的開發(fā)、表征及應(yīng)用，提供了較為可行性的參考。本論文主要開展了以下四方面的研究:
　　1.本論文開發(fā)了一種室溫下制備高質(zhì)量碳納米材料的策略，該策略為使用強(qiáng)堿（可為無機(jī)堿也可為有機(jī)堿）高效地對非傳統(tǒng)意義的高分子碳源:鹵化高分子進(jìn)行去官能團(tuán)化，因?yàn)樵擃惛叻肿犹荚淳哂泻唵喂倌芑?鹵族元素和氫官能團(tuán)，均為較易脫

4、除的官能團(tuán)，脫除官能團(tuán)后的全碳骨架被驗(yàn)證具有超高的反應(yīng)活性，不但可以完成高效的C-C偶聯(lián)，制備得到具有一定石墨化的碳材料，還可以在有機(jī)摻雜劑存在的情況下，完成C對于多種有機(jī)元素（如N、S、P等）偶聯(lián)。
　　2.針對于實(shí)際情況中對于電極材料特性的要求，需要對于所使用的電極材料進(jìn)行特定形式的結(jié)構(gòu)化，以利于質(zhì)量輸運(yùn)，提速電化學(xué)催化反應(yīng)以及增加儲能器件的功率密度。而目前存在的堿性物質(zhì)種類繁多且形貌各異，可以在提供堿性對鹵化高分子進(jìn)行脫鹵的

5、同時(shí)，作為模板筑成具有特定形式的孔道結(jié)構(gòu)。如:固體ZnO在高溫下表現(xiàn)出較高的堿性，可以對聚偏二氯乙烯(PVDC)在其軟化狀態(tài)下進(jìn)行脫氯，形成的大量水汽可以對于碳母體進(jìn)行鼓泡，制造得到類二維結(jié)構(gòu)的碳材料。此外，所形成的產(chǎn)物ZnCl2，可以在高溫下，對已經(jīng)形成的多孔（水汽形成的大孔和納米ZnO形成的介孔）碳材料進(jìn)一步活化，得到豐富的微孔，經(jīng)過這兩大類的耦合反應(yīng)，所制備的碳材料的孔道為多級結(jié)構(gòu)，且具有較大的比表面積（900℃焙燒的產(chǎn)物具有15

6、49m2/g的比表面積）。所得多級孔碳材料具有高度催化ORR的性能，堿性電解液中，在各個(gè)需要衡量的方面均超過貴金屬Pt/C催化劑。
　　3.所開發(fā)的高分子脫鹵策略同樣適用二維鹵化“高分子”:氟化石墨，可以在較為溫和條件下，適用強(qiáng)堿對氟化石墨進(jìn)行脫官能團(tuán)，制備水溶性官能化石墨烯。一些本身含有所需摻雜的元素的特殊強(qiáng)堿如NaNH2、Na2S可以直接在脫氟后對石墨烯進(jìn)行功能化，得到N或是S摻雜的水溶性石墨烯。此方法，相對于傳統(tǒng)制備功能化石