嵌段共聚物直接碳化法制备多孔碳材料及电化学性能研究

【摘要】本文综述了超级电容器最新研究进展,重点对超级电容器碳材料的制备和结构调控技术发展现状进行了综述。对于双电层电容器来说,系统研究碳材料的孔隙率和孔径分布与超级电容性能关系,是一个非常重要的基础科学问题。遗憾的是对于这一问题基本都止步于定性的说明或解释,没有有力的实验验证。这一方面是因为体系的复杂性,另一方面是由于碳材料结构的不可控性。据此,本课题提出了嵌段共聚物碳化法制备孔径结构精确可控的多孔碳电极材料的新方法。本研究课题的实施遵循聚合物聚合可控-碳材料结构可控-高性能超级电容器碳电极材料为主线的研究路线,即通过控制嵌段共聚物链段的柔顺性、改变链段分子量及不同链段的相对含量来调控嵌段共聚物的形态结构；进而调控碳材料的孔径结构。主要内容如下：(1)在实验中,通过可逆加成链转移自由基聚合方法制备了嵌段共聚物前驱体,并经碳化制得具有高比表面积的多孔碳。在嵌段共聚物碳化的过程中l,由于PMMA链段的分解产生了分级多孔结构,而PAN链段在热处理的中本体没有孔或有少量的微孔产生。由分析可知所制得的多孔碳材料具有高的微孔率为67%。此外,介孔范围内有两种孔径分布,在3.8nm和14nm左右,比表面积高达1246m2g-。更多研究发现,所制得的多孔碳材料是超级电容器电极的良好材料,并且具有较长的循环寿命,在2M的KOH溶液中经过10000循环能够保持初始容量的98%。值得注意的是通过嵌段共聚物的直接热解制得了具有高比表面积、高质量的多孔碳材料。这种碳材料的新颖的孔隙结构,有可能在新的领域中的到广泛的应用。(2)以嵌段共聚物为前驱体,通过直接热解聚丙烯腈嵌段聚苯乙烯(PAN-b-PS-b-PAN)制备新型纳米多孔碳材料。碳材料制备依赖于嵌段共聚物分子的设计,而分子量可控、分布范围较窄的嵌段共聚物则通过可逆加成链转移(RAFT)聚合方法合成。所制备的碳材料不仅显示了较高的比表面积(950m2g-1),并且在2-4nm的介孔范围内孔径得到良好的控制。此外,作为电极材料在2MKOH电解液中表现出了高的比容量(185Fg-1,在电流密度为0.625Ag-1),并且显示了较好的循环寿命,经过10000次循环后,能够保持初始比容量的97.5%。新型纳米多孔碳材料的成功制备证明了嵌段共聚物直接热解法是一个很有前途的方法,通过不同分子量聚合物的设计,制备结构新颖的多孔碳材料,并且可应用于高性能超级电容器。
【作者】汪勇；
【导师】孔令斌；
【作者基本信息】兰州理工大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】嵌段共聚物；介孔碳；碳化；能量存储；超级电容器；

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