功能多孔材料的控制制備及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、多孔材料具有比表面積高、孔隙率大等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于電催化、電池、光催化以及超級電容器等領(lǐng)域。多孔材料中的介孔和大孔結(jié)構(gòu)有利于物質(zhì)的快速傳輸；微孔結(jié)構(gòu)有利于提高材料的比表面積，從而為反應(yīng)提供更多的接觸面積。因此合理搭配微孔和介孔和/或者大孔結(jié)構(gòu)(相互連接的微孔和介孔)是一種有效的提高材料性能的方法。除此之外，雜原子摻雜也是提高材料性能的有效方法之一。
　　基于以上考慮，本論文以具有特定形貌和結(jié)構(gòu)的超分子自組裝化合物為模板劑或者前驅(qū)

2、體，構(gòu)筑了空心結(jié)構(gòu)材料、多級孔材料。并針對這些材料在電催化、鋅-空氣電池以及超級電容器等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究。主要內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　首先，在鈦酸異丙酯(TTIP)水解生成的TiO2以及二聚氰胺(DCDA)作用下，以聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷三嵌段共聚物(簡稱：P123)為主體分子自組裝制備石墨氮摻雜的多級孔網(wǎng)狀碳材料(簡稱g-N-MM-Cnet)。通過對其合成機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)，在合成過程中不加入TTIP，則得到片狀的碳材料

3、，這說明TiO2在制備網(wǎng)狀碳材料過程中起著模板劑的作用；隨著P123加入量的增加，網(wǎng)狀碳材料增多；為了降低在高溫環(huán)境下P123的分解，加入DCDA作為還原劑和氮源。制備的石墨氮摻雜多孔網(wǎng)狀碳材料具有較高的比表面積、含有豐富的石墨氮，使其具有良好的氧還原和氧析出催化活性，可以作為多功能催化劑應(yīng)用于堿性兩電極鋅-空氣電池中。研究發(fā)現(xiàn)，以石墨氮摻雜多孔網(wǎng)狀碳材料為電極的鋅-空氣電池具有較高的能量密度和超穩(wěn)定的循環(huán)性能。
　　在合成過程中

4、固定P123的量不變，繼續(xù)調(diào)節(jié)DCDA和TTIP的加入量制備含氮豐富的微孔/介孔網(wǎng)狀碳材料(簡稱N-MM-Cnet)。得到的N-MM-Cnet材料具有較高的比表面積、高含量的氮元素以及多級孔結(jié)構(gòu)(包括微孔和介孔)，可作為電極應(yīng)用于超級電容器中。N-MM-Cnet電極材料具有較高的比電容和超高的循環(huán)穩(wěn)定性。一方面由于N-MM-Cnet材料含有的介孔可以作為傳輸電解液的“高速公路”，使電解液很快滲透到電極材料內(nèi)部，從而使微孔快速的和電解液接

5、觸，增加超級電容器的儲存能量；另一方面是由于摻入的氮元素在一定程度上增加了電容器的比電容。
　　其次，以三聚氰胺和三聚氰酸為主體分子的超分子自組裝化合物為模板劑制備空心結(jié)構(gòu)材料(以TiO2為例)。制備的超分子模板劑具有可控的形貌且表面帶有豐富的-NH2和-OH官能團(tuán)，有利于復(fù)合其它材料，從而制備出空心結(jié)構(gòu)材料。更重要的是，在大規(guī)模合成空心結(jié)構(gòu)材料過程中，超分子之間的弱相互作用有利于去除模板劑，實(shí)現(xiàn)超分子模板的循環(huán)利用。這種方法同樣

6、適用于制備過渡金屬摻雜的TiO2空心結(jié)構(gòu)材料。制備的空心結(jié)構(gòu)材料在氧析出反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性和較快的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率。通過摻入Co2+離子，可以進(jìn)一步增加催化劑的活性位點(diǎn)，降低空心結(jié)構(gòu)材料在氧析出反應(yīng)中的過電勢。
　　除此之外，三嵌段共聚物P123也可以用作表面活性劑控制TiO2納米顆粒的尺寸。通過在TiO2納米顆粒中摻入一定量的Co2+離子，可以抑制金紅石相二氧化鈦的生長。制備的Co摻雜 TiO2納米顆粒在堿性溶液中具有氧還