三聚氰胺基樹脂球的水熱合成及碳化材料的電化學(xué)性質(zhì).pdf

1、超級電容器，又稱為電化學(xué)電容器，是一種新型的能源儲存裝置，具有功率密度高、循環(huán)壽命長、快速充放電等優(yōu)點，近年來得到研究者廣泛關(guān)注。目前，超級電容器技術(shù)的研究難題是如何提高電極的比電容和優(yōu)化充放電性能，實現(xiàn)這些目標(biāo)主要依靠制備納米結(jié)構(gòu)的電極材料，包括納米碳材料、納米氧化物或納米復(fù)合材料。其中，納米碳材料是研究最熱和最廣泛的超級電容器電極材料，影響碳材料電化學(xué)性能的主要因素有比表面積、孔徑分布、孔形狀與結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電性和表面功能團。雜化碳材料已

2、經(jīng)引起了研究者的極大關(guān)注，并且被認(rèn)為是一種有前景的超級電容器電極材料，到目前為止，研究最多的是氮和氧雜化碳材料。本論文基于廉價的、富氮的三聚氰胺為碳前驅(qū)體，水熱法合成了三聚氰胺樹脂球，然后碳化制備雜化中空碳材料并研究了其電容性能;并在水熱條件下軟模板組裝間苯二酚和三聚氰胺制備了多種形貌的介孔納米樹脂材料，研究了熱解樹脂碳材料的電化學(xué)性質(zhì)。主要研究成果如下:
　　 首先，在水熱條件下聚合三聚氰胺和甲醛制備了三聚氰胺樹脂球，詳細研究

3、了不同實驗條件對樹脂球形貌的影響，對三聚氰胺樹脂球的化學(xué)結(jié)構(gòu)進行了測試和分析，探索了三聚氰胺樹脂球的形成過程。在一定條件下制備了直徑分布在5.0～5.5μm之間、單分散的實心三聚氰胺樹脂球，樹脂球的大小可以通過改變反應(yīng)液的濃度調(diào)控;當(dāng)鹽酸作催化劑，合成出了三聚氰胺樹脂凝膠，而當(dāng)NaOH作催化劑，可以制得交聯(lián)的三聚氰胺樹脂球。陽離子表面活性劑(CTAB)和嵌段共聚物F127增大樹脂球的直徑，陰離子表面活性劑(SDS)可以大幅度減小樹脂球的

4、直徑。甲醇和乙醇為助溶劑時，MF樹脂球的直徑增大;當(dāng)異丙醇作混合溶劑時，合成凝膠狀MF樹脂。
　　 其次，將典型條件下合成的三聚氰胺樹脂實心微球在不同溫度下進行熱處理，直接制得氮氧共雜化的中空微孔碳球。將中空碳微球進行了一系列物理化學(xué)結(jié)構(gòu)表征，發(fā)現(xiàn)熱解溫度對中空碳球的物理化學(xué)性質(zhì)有著直接影響，隨著處理溫度的升高，碳球直徑降低、比表面積增大、雜原子氮的含量降低、微孔孔徑逐漸變大、孔徑分布變寬，而雜原子氧的含量變化不大，并且石墨化程

5、度和導(dǎo)電性也有很大改善。詳細研究了中空碳微球的形成機理，發(fā)現(xiàn)樹脂的交聯(lián)方式直接影響熱分解過程。熱解以亞甲基聯(lián)為主的樹脂球得到中空碳球，而以醚基聯(lián)為主的樹脂球則形成實心碳球。將不同熱解溫度下得到的中空碳球進行電化學(xué)性質(zhì)測試，發(fā)現(xiàn)在硫酸電解液中，隨著處理溫度的升高，比電容呈現(xiàn)先增大后降低的變化趨勢;800℃熱解碳球的比電容最大，為302Fg-1，并展現(xiàn)出優(yōu)越的循環(huán)穩(wěn)定性;在硫酸鈉中性電解液中，比電容遠小于在酸性電解液中的數(shù)值。總之，比電容受

6、中空碳球的比表面積、孔徑及分布和表面官能團的復(fù)合影響。
　　 最后，在水熱條件下自組裝間苯二酚、三聚氰胺和嵌段共聚物F127，制備了形貌新穎的納米樹脂材料，即紡錘體、棒狀、環(huán)狀和纖維狀的樹脂材料，由10-15nm的納米顆粒組裝而成;紡錘體樹脂材料展現(xiàn)出一定的有序介孔結(jié)構(gòu)。通過改變反應(yīng)液的濃度、表面活性劑的濃度、原料的配比可調(diào)控樹脂材料的形貌。樹脂材料的紅外光譜分析可知，該樹脂具有典型的酚醛樹脂和三聚氰胺的特征單元，并且含有大量的