多级孔、离散中空碳球的制备、石墨化与电化学性能研究

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在诸多多孔碳材料中,中空碳球由于其大的比表面积(SSA)、大的空腔结构、低密度、导电性、良好的化学稳定性和热稳定性等在催化、吸附、超级电容器、可控药物释放、储氢、锂离子电池等领域具有潜在的应用前景,成为人们研究的热点,而它在各个领域的成功应用很大程度上取决于它的离散性以及对尺寸的控制上。中空碳球在不同领域的应用需要不同的孔隙率和物相结构,作为超级电容器的电极材料需要好的离子传输性能和电子传输性能,即要求材料的多级孔结构和好的导电性能。所以本文旨在制备多级孔、离散均一中空碳球及其结构调控和石墨化,并研究了其作为超级电容器电极材料的电化学性能。主要分以下两个方面:  (1)本文通过以单分散的凹陷中空聚苯乙烯-二乙烯基苯(PS-DVB)为前驱体,分别以四氯化碳和二氯乙烷作为交联剂进行两次超交联反应,最后高温碳化的“二次交联热解”的方法,成功制备了多级孔、离散均一的中空碳球。通过改变DVB的用量实现了对中空碳球孔隙率及壳层厚度的调控。结果表明交联反应使凹陷的中空胶囊恢复为空心球结构,同时在交联结构中形成含有微孔、介孔、大孔的多级孔结构。二次超交联反应生成的高度交联的硬质壳,有效避免了微球的高温裂解粘结行为,是制备离散均一中空碳球的关键。电化学测试结果表明,DVB含量为30 wt%的碳化样品相比其他样品具有较好的电化学性能,在5 mV·s-1的扫描速率下比电容达到了192 F·g-1,这都归因于样品高的比表面积、微孔表面积、微孔体积、多级孔结构和大的内部容积。  (2)作为电极材料,不仅要有合适的多级孔结构,还要有好的导电性。为了提高中空碳球的导电性,本文使用了一种由两种路径制备石墨化多级孔中空碳球的方法。第一条路径以ClCH2CH2Cl为交联剂,进行超交联反应形成一次交联样品;第二条路径以 CCl4为交联剂进行一次交联反应,然后以 ClCH2CH2Cl为交联剂得到二次交联样品,最后碳化两组样品都得到了石墨化多级孔中空碳球。两种路径采用的都是聚合物微球超交联负载Lewis酸催化剂、催化石墨化的方法,实现了催化剂的均匀负载,并且通过改变交联次数形成了不同交联结构的前驱体,探讨了其对石墨化程度的影响。结果表明,DVB含量为20 wt%的一次交联碳化样品石墨化程度最好,随前驱体DVB含量、交联度增加,石墨化程度逐渐下降,碳化样品也都具有多级孔结构、大的比表面积和孔体积。电化学测试结果表明,DVB含量为20 wt%的一次交联碳化样品具有较好的电化学性能,在5 mV·s-1的扫描速率下比电容达到205 F·g-1。
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