炭氣凝膠的制備及其結構與雙電層電容特性的研究.pdf

1、本文采用溶膠.凝膠法,以間苯二酚(R)和甲醛(F)為原料,無水乙醇作溶劑,六次甲基四胺(HMTA)作催化交聯(lián)劑,通過常壓干燥和高溫炭化工藝制備炭氣凝膠。系統(tǒng)考察了催化交聯(lián)劑用量、溶劑用量、醛酚比、聚合反應溫度及炭化升溫速率等工藝因素對炭氣凝膠的收率、比表面積和孔結構的影響,確立了調(diào)控炭氣凝膠結構和性能的工藝方法和工藝條件。此外,還采用磷酸活化法調(diào)整炭氣凝膠的孔結構,初步探討了磷酸活化對炭氣凝膠孔結構和電容特性的影響。同時將制備的炭氣凝膠

2、用作雙電層電容器(Electric Double-layer Capacitor,簡稱EDLC)的電極材料,分別在30％KOH水溶液、1mol/L的LBC305和DLC307有機電解質(zhì)溶液中,采用直流充放電法、循環(huán)伏安法和交流阻抗法測試炭氣凝膠的電化學行為。探討了EDLC的電容特性與炭氣凝膠比表面積、孔結構的關系。
　　 研究結果表明,不同制備工藝均對炭氣凝膠的比表面積和孔結構產(chǎn)生影響。催化交聯(lián)劑六次甲基四胺在溶膠.凝膠過程中既

3、起催化作用又具有交聯(lián)作用,其交聯(lián)作用可以增加氣凝膠的網(wǎng)絡致密度,提高骨架強度,降低毛細張力,從而減少氣凝膠在常壓干燥時的網(wǎng)絡塌陷和破裂。
　　 炭氣凝膠的比表面積隨催化交聯(lián)劑用量或間苯二酚與六次甲基四胺的摩爾比(R/H)的增大而減小,控制適宜的催化交聯(lián)劑用量,可制得BET比表面積達685.9 m2/g的炭氣凝膠。隨著R/S(g/ml)值的增大,孔徑增大,中孔數(shù)量增多;隨著F/R摩爾比的增大,比表面積先增加后減小,孔徑分布以3-4

4、nm和20nm左右的中孔為主;聚合反應溫度對炭氣凝膠中孔含量的影響較為明顯,反應溫度較低時,以微孔為主,隨著聚合反應溫度的增加,中孔含量增多;隨著炭化升溫速率的增加,比表面積逐漸減小,孔徑分布由多級孔結構向微孔和中孔發(fā)展。不同制備工藝對炭氣凝膠的炭化收率影響不大,炭化收率均在50％左右。
　　 炭氣凝膠的比電容與比表面積和孔結構分布有關,在R/H值為50,R/S值為0.1g/ml,F/R比為2.0,聚合反應溫度為80℃、炭化溫度

5、為900℃及炭化升溫速率為2℃/min的工藝條件下,制備的炭氣凝膠電極在30％KOH電解液中比電容最大可達176 F/g。
　　 隨著炭氣凝膠比表面積的增大,比容量也逐漸增大,但炭氣凝膠比容量的增加與其比表面積的增加并不呈簡單的直線關系,而是與其內(nèi)部孔結構的分布有關。實驗結果表明,中孔率太低或者太高的炭氣凝膠比容量都不高,只有微孔和中孔分布合理的炭氣凝膠才表現(xiàn)出較高的比電容。
　　 炭氣凝膠的循環(huán)伏安曲線均為類矩形且對稱

6、性良好,表明電極具有較好的可逆性,循環(huán)伏安曲線中不存在法拉第氧化.還原峰。隨著掃描速率的不斷增大,比電容逐漸減小。炭氣凝膠電極的交流阻抗譜圖是由高頻區(qū)的半圓、中頻區(qū)約45°的斜線和低頻區(qū)存在一定斜率的直線組成。炭氣凝膠電極的阻抗特性與其孔結構密切相關,適當?shù)闹锌缀坑兄谔岣唠娊赓|(zhì)離子在炭氣凝膠電極中的遷移速率,快速形成雙電層電容。
　　 以炭氣凝膠作電極的模擬EDLC具有良好的充放電性能和循環(huán)性能,既能在小電流密度下長時間慢速