多孔碳球及石墨烯-二氧化鈦納米復(fù)合材料的制備及應(yīng)用研究.pdf

1、化石燃料的日益枯竭以及其所帶來的日益嚴(yán)重環(huán)境問題，迫使人們急切的需要尋找一種能夠代替化石能源的新能源。氫氣具有可再生、無污染、熱值高等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的新能源。目前，限制氫氣大規(guī)模應(yīng)用的主要瓶頸是如何將氫氣安全又經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)存起來。在眾多的儲(chǔ)氫材料中，碳微球具有比表面積大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，尤其是其結(jié)構(gòu)可調(diào)性好，特別適合作為儲(chǔ)氫材料。關(guān)于碳微球的儲(chǔ)氫研究也越來越為人們所重視。本文旨在探討使用不同的方法來制各碳微球,并研究這些方法對(duì)碳微球的結(jié)構(gòu)

2、以及儲(chǔ)氫性能的影響。同時(shí)，石墨烯因?yàn)榫哂须妼?dǎo)性好、化學(xué)和熱穩(wěn)定性好以及優(yōu)良的機(jī)械性能等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)合材料、鋰離子電池以及超級(jí)電容器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文也提出了一種制備石墨烯-二氧化鈦納米復(fù)合材料的新方法，并研究了這種復(fù)合材料作為超級(jí)電容器電極材料的電化學(xué)性能。
　　 本文主要進(jìn)行了以下三方面的工作:
　　 (1)本文使用了一種由兩種路徑來制備微孔碳球的新方法。以苯乙烯-二乙烯基苯共聚物(PS-DVB)聚合物微球?yàn)榍膀?qū)

3、體，分別使用兩種尺寸不同的交聯(lián)劑，四氯化碳和1，2-二氯乙烷，進(jìn)行超交聯(lián)反應(yīng)，最后經(jīng)過高溫炭化即可得到孔結(jié)構(gòu)不同的微孔碳球。此外，我們還改變前驅(qū)體中DVB的含量，研究DVB含量對(duì)碳球孔性能的影響。掃描電鏡、透射電鏡結(jié)果表明，我們成功的制備了具有不同孔結(jié)構(gòu)的微孔碳球，使用二氯乙烷為交聯(lián)劑所制備的碳球的尺寸要大于四氯化碳所制備的碳球。同時(shí)氮?dú)馕?解吸附結(jié)果表明，使用二氯乙烷為交聯(lián)劑所制備的碳球的微孔體積要大于四氯化碳所制備的碳球，而微孔尺

4、寸小于四氯化碳所制備的碳球。這些碳球的比表面積在400-510m2g-1之間，微孔平均尺寸在0.68nm-0.78nm之間，這些都是有利于儲(chǔ)氫的參數(shù)范圍。所制備的碳球在850mmHg的壓力和77K的溫度下的儲(chǔ)氫量能夠達(dá)到1.86wt％。本文所使用的方法為今后優(yōu)化碳材料孔道結(jié)構(gòu)提供了一種新的借鑒。
　　 (2)本文使用了一種多步處理的方法來制備微孔碳球。首先將實(shí)心的PS-DVB聚合物微球洗中空，然后以中空的PS-DVB聚合物膠囊作

5、為前驅(qū)體，經(jīng)過超交聯(lián)、磺化和炭化過程，制備具有多級(jí)孔分布孔道結(jié)構(gòu)的碳球。此外，還研究了當(dāng)前驅(qū)體中DVB的含量改變時(shí)，所制備的碳球的結(jié)構(gòu)的變化。對(duì)所制備的碳球進(jìn)行了掃描電鏡、透射電鏡、紅外光譜、X射線衍射、拉曼光譜以及氮?dú)馕?解吸附實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，我們成功的制備了具有多級(jí)孔分布的微孔碳球，這些碳球的比表面積最高可以達(dá)到1149m2g-1，微孔比表面積也高達(dá)763m2g-1。在850mmHg的壓力和77K的溫度下的儲(chǔ)氫量最高為5.92wt

6、％。這對(duì)碳材料來說是一個(gè)較高的數(shù)據(jù)。
　　 (3)本文使用一種超臨界二氧化碳輔助的方法來制備二氧化鈦納米顆粒-石墨烯納米復(fù)合材料(TiO2NPs-G)，同時(shí)研究了TiO2前軀體的用量對(duì)復(fù)合材料形貌的影響。利用掃描電鏡(SEM)，透射電鏡(TEM)，X射線衍射(XRD)，紅外光譜(FT-IR)，以及電化學(xué)工作站對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了表征。表征結(jié)果表明，二氧化鈦納米顆粒以Ti-O-C化學(xué)鍵的形式均勻的分散在石墨烯的表面。TiO2前軀體的量