高比表面積多孔石墨化碳材料的制備及性能研究.pdf

1、隨著能源短缺問題的不斷加劇，人類社會(huì)正面臨著新的考驗(yàn)。作為一種新型的儲(chǔ)能裝置，超級電容器在近20年來受到越來越多的關(guān)注。超級電容器具有高于傳統(tǒng)電容器的能量密度，同時(shí)又具有遠(yuǎn)大于電池的功率密度，很好的填補(bǔ)了化學(xué)電源在能量-功率密度分布上的空缺。因此，超級電容器在電動(dòng)車、混合動(dòng)力車、航空、碼頭重載設(shè)備等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，目前的超級電容器由于能量密度較低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足技術(shù)發(fā)展需求，因此對于開發(fā)新型高容量電極材料的需求十分迫切。

2、r>　　多孔石墨化碳材料同時(shí)具備高比表面積和良好的導(dǎo)電性，被認(rèn)為是一種潛在的高性能超級電容器電極材料。然而，目前還缺乏大規(guī)模制備高比表面積多孔石墨化碳材料的有效方法。本文利用低溫固態(tài)催化石墨化的方法，以木質(zhì)活性炭為原材料，通過引入鎳納米顆粒作為催化劑在熱處理過程中原位生成石墨化納米結(jié)構(gòu)，制備出具有高比表面積的多孔石墨化碳材料，并研究了其電容性能。通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，首次在活性炭基體中催化出大面積超薄石墨化結(jié)構(gòu)，而且研究了這一新型結(jié)構(gòu)對孔結(jié)

3、構(gòu)的影響，并討論了其生長機(jī)制。主要包括：
　　以茭白葉為原材料，利用化學(xué)活化的方法制備出了比表面積為2100 m2/g的活性炭。通過液相復(fù)合的方法，將鎳前驅(qū)體均勻的引入到活性炭中，通過在惰性氣氛中熱處理直接用碳基體還原出鎳納米顆粒，并原位進(jìn)行催化石墨化，制備出具有石墨化結(jié)構(gòu)的多孔碳。運(yùn)用掃描電鏡、透射電鏡對制備出的材料所包含的石墨化結(jié)構(gòu)、鎳顆粒進(jìn)行觀察；利用X射線衍射和拉曼光譜測試分析材料的石墨化程度；利用氮?dú)馕椒ū碚鞑牧系目捉Y(jié)

4、構(gòu)；利用兩電極超級電容器測試法表征材料的電化學(xué)性能。
　　研究結(jié)果表明，催化溫度、催化劑顆粒狀態(tài)是影響生成的石墨化結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。在本實(shí)驗(yàn)體系下，當(dāng)催化溫度為900 oC時(shí)，超細(xì)鎳顆粒（~20 nm）可以在活性炭表面催化出超薄的石墨化納米結(jié)構(gòu)。這種新型的石墨化結(jié)構(gòu)厚度在2-3納米左右，每個(gè)單元由3-8層石墨層組成，而且均勻、密集的分布于多孔碳基體上。這種超薄結(jié)構(gòu)的生成不會(huì)大幅度破壞活性炭的孔結(jié)構(gòu)，因此所制備的多孔石墨化碳的比表面積

5、高達(dá)1654 m2/g；而當(dāng)催化溫度為1000 oC時(shí)，催化生成了所報(bào)道過的“石墨殼”結(jié)構(gòu)，這種多孔石墨化碳的比表面積較小。
　　本文通過透射電鏡深入研究了不同工藝條件下，鎳催化劑顆粒和周圍非晶碳的結(jié)構(gòu)演變情況。研究表明，在降溫速率小于20 oC/min的范圍內(nèi)，催化降溫速率對本催化體系內(nèi)的石墨化結(jié)構(gòu)種類沒有明顯影響。超薄石墨化納米結(jié)構(gòu)是在合適的溫度下（如900 oC）由一些在非晶碳表面“運(yùn)動(dòng)”的超細(xì)鎳納米顆粒以一種連續(xù)催化的方式

6、所形成。
　　電容測試結(jié)果表明，利用催化石墨化制備的具有超薄石墨化結(jié)構(gòu)的高比表面積多孔碳，相比傳統(tǒng)制備的“石墨殼”結(jié)構(gòu)多孔碳，具有更好的倍率性能，在5A/g的電流密度下，保持有更高的電容值。這種優(yōu)異的電容性能主要是由于超薄石墨化結(jié)構(gòu)所引起的：一方面，這種超薄結(jié)構(gòu)使活性炭保存了更多的微孔結(jié)構(gòu)，確保了多孔碳的大比表面積特征，為電荷的聚集提供足夠的活性位置；另一方面，碳基體上的均勻分散的超薄石墨化結(jié)構(gòu)也為電子的轉(zhuǎn)移提供了理想的導(dǎo)電通路，