酚醛樹脂基多孔碳材料的制備及其在超級電容器中的應(yīng)用.pdf

1、酚醛樹脂（RF）的合成工藝簡單，原料來源豐富且價格低廉，其制品結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、具有阻燃性、耐熱性等優(yōu)點，獲得了人們的廣泛關(guān)注與研究。近年來人們將 RF碳材料應(yīng)用到儲能設(shè)備如超級電容器（SC）的研究上，作為一種新型的電極材料促進了SC的不斷發(fā)展。應(yīng)用多種活化方法對RF進行處理，能夠獲得不同孔徑的材料，一般微孔和介孔數(shù)量越大，材料的比表面積越高，電性能越優(yōu)異。此外，聚苯胺（PANI）導(dǎo)電性良好，原料廉價，合成方法簡單實用，但循環(huán)穩(wěn)定性較差，而 R

2、F碳材料機械性能和循環(huán)性好，兩者在充放電過程中能夠發(fā)生協(xié)同作用，優(yōu)勢互補，有效提高復(fù)合材料的電化學(xué)性能。從安全環(huán)保和節(jié)能高效的角度出發(fā)，聚合物基碳材料廉價易合成，容易改性，具有成為高性能SC電極材料的潛在優(yōu)勢。
　　本論文的主要研究內(nèi)容如下：
　　1.在乙醇-水體系中，利用無模板法首次制備了具有卵黃結(jié)構(gòu)的酚醛樹脂微球（YRF），在此制備過程中低溫條件與乙醇的用量起到了至關(guān)重要的作用。探討合成時間、合成溫度、乙醇與水的比例、氨

3、水用量對卵黃結(jié)構(gòu)的影響，用透射電子顯微鏡（SEM）、掃描電子顯微鏡（TEM）、傅里葉紅外光譜（FTIR）、X射線衍射（XRD）對YRF的形貌與結(jié)構(gòu)進行表征。700℃高溫碳化處理后的卵黃結(jié)構(gòu)酚醛樹脂（YRFC700）依舊能夠保持卵黃結(jié)構(gòu)，說明YRF的穩(wěn)定性較好。使用電化學(xué)測試方法對YRFC700進行電化學(xué)表征，YRFC700表現(xiàn)出典型的雙電層電容行為，在電流密度為1A g-1時，YRFC700的比電容（Csp）為121.7F g-1，作為

4、SC電極材料具有潛在的發(fā)展優(yōu)勢。
　　2.分別用硝酸（HNO3）活化法和KOH活化法對具有卵黃結(jié)構(gòu)的YRF進行活化。在HNO3活化過程中，探討活化時間、活化溫度與HNO3溶液濃度的改變對YRF電化學(xué)性能的影響。經(jīng)電化學(xué)測試發(fā)現(xiàn)，活化溫度與時間分別為80℃與5h，HNO3溶液濃度為6mol L-1時活化材料（NYRFC）的比電容最高。在0.5A g-1的電流密度下，NYRFC的比電容達到262.2F g-1。KOH活化時，探討不同的

5、活化比例、活化溫度對 YRF電性能的影響，經(jīng)電化學(xué)測試發(fā)現(xiàn)，活化比例為m(KOH):m(YRF)=3:1，活化溫度為700℃時，YRFC700-1:3的比表面積可達到1218m2 g-1，在1A g-1的電流密度下，Csp為334.0F g-1，20A g-1的電流密度下經(jīng)10000次充放電后，YRFC700-1:3的Csp保持率高達91.2％，功率密度為28.84kW kg-1時，材料的能量密度仍可達到24.83Wh kg-1。YRF

6、C700-1:3能夠表現(xiàn)出作為SC的優(yōu)異性能主要是因為在活化處理后YRF表面產(chǎn)生了大量的微孔和介孔，其能夠增加材料的比表面積，且縮短離子的傳輸距離，加快電解液離子在電極表面的脫出與嵌入。
　　3.在10℃冷浴條件下以水作溶劑，間苯二酚和甲醛在氨水的催化作用下縮合聚合形成直徑約500nm的、尺寸分布均勻的、實心結(jié)構(gòu)的酚醛樹脂微球。取一定量的酚醛樹脂微球在700℃高溫中碳化后均勻分散于3mol L-1 H2SO4溶液中，加入不同劑量的

7、苯胺(AN)單體，苯胺在過硫酸銨的引發(fā)下于RFC表面進行原位聚合。用TEM、SEM、FTIR、XRD等手段對材料的形貌與結(jié)構(gòu)進行分析，結(jié)果表明純的PANI為許多線條交叉重疊在一起形成類菊花結(jié)構(gòu)，在RFC存在的條件下AN原位聚合形成較細的線條，在球與球之間相互連接，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在1A g-1的電流密度下，聚苯胺/酚醛樹脂微球（PRFC-2:1）的Csp為315F g-1，在5A g-1的電流密度下循環(huán)充放電1000次后比電容仍可保持