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能源问题一直是近年来人们关心的一个热点。特别是随着化石燃料的日趋枯竭和燃烧化石燃料所引发的全球温室效应日益严重,储氢材料和超级电容器等新兴储能技术受到人们越来越多的关注。碳基多孔材料有着很大的比表面积和良好的电化学性质,一直是作为物理吸附储氢和双电层电容器的理想材料。本论文以碳基多孔材料为切入点,通过模板法和聚合物碳化活化的方法,制备得到了一系列的大比表面、高微孔比例的碳基多孔材料。并对它们的储氢性能和电化学电容性能进行了研究。
通过硬模板法,以有序介孔氧化硅SBA-15作模板,选取不同碳源,反向合成得到了两种有着相似孔隙结构的碳基介孔材料CMK-3和MNC-1。对它们在低温常压的下储氢性能测试发现,以蔗糖为碳源的介孔碳CMK-3(970 m2/g)的储氢量有0.62 wt%,要优于氮掺杂的介孔碳MNC-1(334 m2/g)的0.40 wt%储氢量。对它们的比表面和孔结构分析发现,样品在低温常压时的储氢量主要和材料的比表面积相关。但是在室温,由于氮元素的掺杂,提高了MNC-1的氢吸附能。所以虽然MNC-1的比表面积相对较小,但是它在室温的储氢量要高于CMK-3。
为进一步研究样品的储氢性能,对MNC-1进行氢氧化钾活化,得到一系列的活化样品。对它们在低温高压下的储氢测试发现,高质量比氢氧化钾活化的样品MNC-1-AC-5具有很大的比表面积(2498 m2/g)和孔容(2.12 cm3/g)。它在77 K和20bar的氢气压力下的储氢量有6.84 wt%,通过Langmuir拟合推算出它的饱和储氢量有8.24.wt%。对它们的孔结构数据分析发现,在低温高压下,多孔碳中小孔径的介孔对储氢发挥了重要作用。对样品中小于3 nm的微孔和介孔对样品的储氢量做线性拟合,发现它们有很好的线性关系。
在超级电容器方面,以一步法碳化并活化合成得到的多级孔结构的碳材料HPC。与氢氧化钾活化的有序介孔碳CMK-3比较,HPC有着更高的产率和更丰富的孔隙结构。HPC在氢氧化钾和有机电解液中均有着良好的双电层电容性能。在碱溶液中,HPC的电容值有234 F/g,功率密度为1958 W/kg。在有机电解液中,HPC仍然具有良好的电容性能。对它的孔道结构分析发现,HPC具有与电解液离子匹配的微孔和适当的介孔。这种多级孔结构的碳材料有利于提高材料的电容性能。HPC在有机电解液中的电容值有137 F/g,能量密度可达45Wh/kg。