酚醛树脂基纳米孔炭的自活化法制备、调控及性能研究

发布时间：2018-12-17 07:14

【摘要】：本论文从碳前躯体的分子工程学设计出发,以酚醛树脂为基础,设计合成氮硫掺杂酚醛树脂酚盐或烷氧基取代酚醛树脂,通过以-O-K+形式存在的单分散K+或树脂酚环上烷氧基为造孔剂,直接热解制备微孔分布集中的纳米孔炭材料,利用树脂酚环上不同链长烷氧基的空间效应差别,实现碳材料微孔尺寸的精确调控。研究碳材料微孔尺寸与烷氧基空间效应之间的关系,揭示酚醛树脂基碳材料微孔尺寸的调控规律。并研究了所制备碳材料在超级电容器中的应用。具体研究为:1.集中分布的微孔孔道和杂原子掺杂是提升多孔炭材料电容性能的关键因素。我们以3-胺基酚和3-羟基苯硫酚为原料,KOH同时作为活化剂和催化剂前体,制备了3-氨基酚-3-羟基苯硫酚树脂钾盐。进而以其为碳前躯体,直接热解制备了具有集中微孔分布的N,S-共掺杂多孔炭材料。利用SEM、TEM、氮气吸附、XPS、EDS等技术手段对所制备多孔炭的孔隙结构和表面化学性质进行了系统的表征。研究发现,在酚醛树脂中以-O-K+形式单分散的K+起到了 原位自活化‖作用,创造了发达的高度均一、相互交联、短孔程的超微孔。两种酚反应底物的比例是影响酚醛树脂凝胶的微观形貌和所制备碳材料的孔隙结构及表面元素分布的关键因素。通过调节3-胺基酚和3-羟基苯硫酚的比例,分别获得了纯微孔炭和微孔-介孔多级孔炭。。2.研究了所制备N,S-共掺杂微孔炭和多级孔炭在KOH和H_2SO_4电解液中的电容性能。研究发现,碳材料的电容性能受到孔隙结构和表面化学特性的共同影响,而酚类的比例和碳化温度是决定孔隙结构和表面化学性质的关键制备条件。丰富的N,S,O官能团引入了较多的赝电容效应,集中分布且孔程较短的微孔孔道保证了电解质离子在材料孔隙中的快速传输,因此在KOH电解液中获得了较好的比电容值和功率特性。在KOH电解液中,SNC-3:1-600和SNC-1:1-700的比电容值超过250 F g~(-1),在0.2~20 A g~(-1)范围内,其电容保持率超过60%。由于H_2SO_4电解液的导电离子尺寸远大于KOH电解液的导电离子尺寸,并且H_2SO_4电解液电导率较小,因此所制备碳材料在H_2SO_4电解液中电容性能较差。3.以间苯三酚、1-溴乙烷、1-溴代环己烷、1-溴庚烷、甲醛为原料,分别制备了烷氧基取代酚醛树脂。以其为碳前躯体,直接热解制备了孔分布集中的超微孔炭,并在KOH电解液中研究了其电容性能。研究表明,利用不同链长的取代基可以有效的制备孔分布集中的超微孔炭,以乙基、庚基和环己基为取代基的酚醛树脂基多孔炭的孔径分别为0.52、0.54和0.58 nm。说明通过调控烷氧基树脂中的烷基可以在纳米尺度上调控碳材料的孔径。在KOH电解液中,碳材料的比表面积是影响其电容性能的主要因素。所制备碳材料C7在KOH电解液中表现为较好的倍率性能,但比电容值不高,仅为66.1 F g~(-1)。作为孔径调节的有效手段,简单的利用不同的取代基实现孔径的精准调控是此方法的创新之处。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM53;TQ127.11

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本文编号：2383859