金屬氧化物負(fù)載炭氣凝膠的電化學(xué)性能及其應(yīng)用研究.pdf

1、炭氣凝膠是一種具有獨(dú)特三維納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的中孔炭材料，由于其獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)、催化性能使得其在軍事、航天、環(huán)保、能源、醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。一經(jīng)出現(xiàn)，就引起了人們的廣泛關(guān)注。金屬氧化物負(fù)載炭氣凝膠改善了炭氣凝膠的結(jié)構(gòu)和性能，擴(kuò)大了它的應(yīng)用范圍。本文制備了金屬氧化物/炭氣凝膠復(fù)合材料，并對(duì)其孔結(jié)構(gòu)、形貌、微晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。以研究金屬氧化物/炭氣凝膠的電化學(xué)性能為主線，以三維電極體系和超級(jí)電容器為載體，系統(tǒng)研究了過(guò)渡金屬氧

2、化物/炭氣凝膠復(fù)合物的電吸附性能、電化學(xué)氧化性能及電催化性能。得到以下結(jié)論： 1.金屬氧化物/炭氣凝膠的制備和結(jié)構(gòu)表征 用浸漬法制備ZnO/炭氣凝膠、MnO/炭氣凝膠、CuO炭氣凝膠，用共沉淀法制備：MnO2/炭氣凝膠和NiO/炭氣凝膠。采用SEM、TEM、N2吸附儀和XRD等儀器研究材料的表面形貌、孔結(jié)構(gòu)及其分布、微晶結(jié)構(gòu)，表明制備的金屬氧化物呈納米級(jí)分散在炭氣凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。 2.炭氣凝膠三維電極電化學(xué)氧

3、化降解苯酚 炭氣凝膠三維電極體系用于電化學(xué)氧化降解苯酚，將其與二維電極、商品化粒子電極相比，發(fā)現(xiàn)炭氣凝膠三維電極對(duì)苯酚的去除率最高可達(dá)97.5％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于通用的商品化粒子電極材料。經(jīng)50次循環(huán)實(shí)驗(yàn)后，COD去除率仍可保持在80％以上，重復(fù)性良好，明顯優(yōu)于二維電極和商品化粒子電極。采用四種炭氣凝膠作為粒子電極電化學(xué)氧化降解處理苯酚廢水，經(jīng)過(guò)比較苯酚濃度去除率和COD去除率，發(fā)現(xiàn)CA-125粒子電極對(duì)苯酚有最好的濃度去除率和COD去

4、除率。 采用CA-125對(duì)苯酚溶液進(jìn)行吸附表征，發(fā)現(xiàn)溶液溫度、pH等條件對(duì)苯酚的吸附有影響作用，研究表明，炭氣凝膠比活性炭更容易吸附苯酚溶液，且吸附量增大，當(dāng)炭氣凝膠粒子大小為10-20目，溫度為常溫，pH為6-8，3小時(shí)內(nèi)可達(dá)到吸附平衡。 用CA-125粒子電極組成的三維電極裝置處理模擬苯酚廢水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，炭氣凝膠粒子電極對(duì)苯酚的去除率與壓縮空氣的流速、溶液pH值、溶液濃度及固液比有密切的關(guān)系。 采用比色法

5、證實(shí)了電化學(xué)反應(yīng)體系中羥基自由基的存在，苯酚的降解機(jī)理主要是羥基自由基機(jī)理，羥基自由基的生成量決定苯酚的去除率。 3.金屬氧化物/炭氣凝膠三維電極電催化氧化苯酚 采用金屬氧化物/炭氣凝膠三維電極電催化氧化降解苯酚，綜合比較，發(fā)現(xiàn)催化劑對(duì)苯酚電催化降解活性順序?yàn)閆nO/CA-600≈CuO/炭氣凝膠>ZnO/CA-150>MnO2/CA>MnO/CA>NiO/炭氣凝膠>Fe3C/炭氣凝膠>炭氣凝膠。根據(jù)導(dǎo)電類型將金屬氧化物

6、分為n型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體，發(fā)現(xiàn)n型半導(dǎo)體催化活性高于P型半導(dǎo)體。 考察溫度對(duì)催化劑活性的影響，制備了經(jīng)150℃和600℃溫度熱處理的ZnO/炭氣凝膠作為粒子電極，發(fā)現(xiàn)600℃碳化得到的粒子電極對(duì)苯酚的去除效率更高，即溫度的升高有助于提高催化活性。 通過(guò)羥基自由基產(chǎn)生量的測(cè)定，探討了過(guò)渡金屬氧化物催化產(chǎn)生羥基自由基的機(jī)理。半導(dǎo)體催化生成羥基自由基的機(jī)理是n型半導(dǎo)體機(jī)理。并通過(guò)比色法測(cè)定羥基自由基的生成驗(yàn)證了反應(yīng)機(jī)理。

7、 4.炭氣凝膠超級(jí)電容器制備工藝的研究 炭氣凝膠超級(jí)電容器的電化學(xué)性能與掃描速率、膠粘劑含量、電極片厚度、壓力、導(dǎo)電填料形態(tài)及含量有關(guān)，研究結(jié)果表明，炭氣凝膠電極隨著掃描速率的增大比容量呈下降趨勢(shì)，當(dāng)膠粘劑PTFE含量5％，電極片質(zhì)量為0.01g/cm2，壓力為8MPa可以有效改善炭氣凝膠電極的比容量采用氣相生長(zhǎng)納米碳纖維、導(dǎo)電碳黑和碳納米管作為導(dǎo)電填料改善炭氣凝膠電極的電容性能，研究表明，導(dǎo)電填料的加入，可以明顯改善炭氣凝

8、膠的電容行為。炭氣凝膠電極電化學(xué)性能與導(dǎo)電填料的導(dǎo)電率、形態(tài)及分散性有密切關(guān)系。其中，碳納米管具有良好的導(dǎo)電性，高的長(zhǎng)徑比，可以將炭氣凝膠二次粒子橋連在一起，且分散均勻，經(jīng)碳納米管摻雜的炭氣凝膠電極具有最高的比容量。 三種導(dǎo)電填料在炭氣凝膠中的含量存在逾滲值，當(dāng)含量超過(guò)逾滲值時(shí)，比容量不再增大，導(dǎo)電碳黑、氣相生長(zhǎng)納米碳纖維和碳納米管的逾滲值分別為10％、5％和1％，其中，炭氣凝膠摻雜1％的碳納米管有最好的電容行為，最大的比容量和