碳化物衍生碳的形成機理及其超級電容性能研究.pdf

1、碳化物衍生碳（Carbide-derived carbon，簡稱CDC），是以碳化物晶格為模板，通過逐層去除其中的非碳原子而獲得的一類新型納米骨架碳。CDC除了擁有高比表面和發(fā)達的孔隙外，還具有其它碳材料所沒有的特性，例如孔徑大小及分布精確可調(diào)，形貌豐富等。這些特性使CDC在很多領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用潛力，如氫儲、超級電容器電極材料、催化劑載體、自潤滑涂層等。本論文針對目前關(guān)于CDC形成機制認(rèn)識的不足，以碳化物/CDC轉(zhuǎn)變界面為研究對象，分

2、析揭示了CDC中各微結(jié)構(gòu)的形成機制；研究了在堿性電解液中不同結(jié)構(gòu)CDC作為超級電容器電極材料時的電容性能，探索了通過改善CDC的潤濕性以提高其在堿性KOH電解液中超級電容性能的思路與途徑；系統(tǒng)研究了在碳化物前驅(qū)體中球磨引入鐵催化劑對CDC微結(jié)構(gòu)及超級電容性能的影響。主要的研究工作和結(jié)果如下：
　　(1)分別采用VC,TiC和NbC作為前驅(qū)體，通過短時（10分鐘）氯化蝕刻獲得相應(yīng)的碳化物/CDC界面結(jié)構(gòu)，借助HRTEM等對其微觀結(jié)構(gòu)

3、特征進行表征，探索分析了CDC的形成機制，并且研究比較了具有不同結(jié)構(gòu)特征的的CDC在堿性電解液中的電容特性。
　　結(jié)果表明：CDC屬于共形轉(zhuǎn)變，碳化物向CDC的轉(zhuǎn)變時刻伴隨應(yīng)力的存在，這是導(dǎo)致CDC中微結(jié)構(gòu)不同的重要原因；對于具有相同結(jié)構(gòu)的碳化物前驅(qū)體，單位體積碳化物中的碳原子濃度越低，轉(zhuǎn)變界面處產(chǎn)生的應(yīng)力越大，相同條件下形成的CDC結(jié)構(gòu)越無序；CDC中的孔是由于界面附近石墨層間應(yīng)力積聚過大造成層間撕裂形成的，它可被看成是前驅(qū)體空

4、間被蝕刻后生成的石墨層分割所形成，CDC中的石墨層越厚，孔尺寸越大，相應(yīng)的比表面越低；具有低碳原子體積濃度的NbC，轉(zhuǎn)變界面處的巨大應(yīng)力致使所得CDC主要為1~2層的卷曲石墨烯，具有2200m2g-1的高比表面微孔結(jié)構(gòu)使NbC-CDC作為電極材料時具有更高的比電容值，其值高達147F g-1。
　　(2)以不同有序度的CDC為對象，研究了它們在KOH水系電解液中的潤濕情況以及對超級電容性能的影響。為解決石墨化CDC潤濕性差，在水系

5、電解液中超級電容性能不佳的問題，探索了KOH電解液中添加乙醇以及CDC硝酸活化改性等措施對石墨化CDC的潤濕性及超級電容性能的影響。
　　結(jié)果表明：CDC在堿性電解液中的潤濕性隨石墨化程度的增加而降低，這使材料的電容性能受到了嚴(yán)重影響；通過在KOH電解液中添加乙醇可有效地改善石墨化碳在KOH電解液中的潤濕性，并使材料的電容性能得到極大改善，且當(dāng)乙醇添加量為10wt.％時電容性能達到最優(yōu)，其比容由6F g-1增加到65F g-1。<

6、br>　　硝酸活化改性可在CDC結(jié)構(gòu)內(nèi)部引入含氧官能團，使石墨化CDC在堿性電解液中的潤濕性得到極大改善，從而有效提升材料的超級電容特性，進行高濃度活化后，其比容值可由原來的6F g-1增加到近130F g-1。
　　(3)分別以VC，TiC和SiC為前驅(qū)體，蝕刻前利用球磨在碳化物前驅(qū)體中引入催化劑，系統(tǒng)研究了鐵催化劑的引入對所得CDC的微結(jié)構(gòu)以及超級電容性能的影響。
　　結(jié)果表明：球磨引入催化劑過程中，碳化物前驅(qū)體不斷被破