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多孔碳材料因为在比表面积、孔体积、导电性和导热性等方面的优势,在水的净化、气体分离、双电层电容器、锂离子电池、燃料电池、气体储存和吸附剂等领域都得到了广泛的应用。本文采用熔盐电解法和熔盐氧化法制备多孔碳材料,并测试了其电化学性能。
通过对比查阅的理论沉积电位和实验验证分析了Li2CO3-Na2CO3作为电解质的可行性。在600℃下,通过循环伏安法、方波伏安法和计时电位法探究钨丝为工作电极的阴极上CO32-还原为碳的过程。通过不同扫速的循环伏安法和方波伏安法探究CO32-在熔盐体系的扩散系数并通过转移电子数验证了CO32-还原成碳。选用循环伏安法和方波伏安法探究镍丝为工作电极上的电化学行为,选用不同的电位区间证明了镍电极上更多的还原峰归因于碳的生成。并研究了电解电位对碳微观形貌和电流效率的影响。
首先采用Li2CO3-Na2CO3熔盐体系,镍片作为工作电极,在550、600、650和700℃下恒电流电解获得蜂窝状、片状和纳米线状沉积物。EDS分析表明该沉积物由元素C和O组成,XRD谱图表明该产物为无定形碳。在550℃下合成了比表面积更高,热稳定性更好,形貌更规则的多孔碳材料。其次选用利用后的废旧离子交换树脂(含C、H、O、S)作为碳源在熔盐中充分氧化,在550℃下恒电流电解制备得到多孔碳材料。其微观形貌呈蜂窝状和纳米片堆叠状结构,相较于没引入碳源的形貌变化不大。Raman分析相较于没引入碳源的石墨化程度减小。通过HRTEM晶格图像发现,除无定形的碳结构外,还存在有序石墨层。EDS元素图谱发现除C和O元素,还有少量S元素存在,表面孔隙率得出其孔径分布仍以中孔为主。对两种制备条件下的碳材料进行电化学性能测试,发现电解温度对碳材料电容性能有重要影响,550℃下制备的碳材料具有更大的放电比容量和更优良的电化学性能,在0.5A?g-1电流密度下,比电容值最大是212F?g-1。引入阳离子树脂作为碳源电解制备的碳材料在0.5A?g-1的电流密度下的比电容值为231F?g-1。
采用熔盐氧化法,选用阳离子交换树脂和(Na,Li)2CO3以1:2的质量比混合均匀,在550℃保持0.5、1、2h后制备得到多孔碳材料。通过XRD分析产物均是无定形碳,Raman光谱分析得出随反应时间增加,材料石墨化程度增大。孔隙率分析得出存在很多微孔,相较于主要分布在中孔的电解法,有更高的比表面积。通过SEM和EDS测试分析了材料的微观形貌和微区化学组成。热重测试分析了不同反应时间制备的材料热稳定性。循环伏安、恒电流充放电、交流阻抗法探究了其电容性能,反应2h后制备的碳材料在0.5A?g-1的电流密度下的比电容为260F?g-1,熔盐氧化法制备的碳材料有较高的比表面积和较多的硫元素可提供赝电容。
通过对比查阅的理论沉积电位和实验验证分析了Li2CO3-Na2CO3作为电解质的可行性。在600℃下,通过循环伏安法、方波伏安法和计时电位法探究钨丝为工作电极的阴极上CO32-还原为碳的过程。通过不同扫速的循环伏安法和方波伏安法探究CO32-在熔盐体系的扩散系数并通过转移电子数验证了CO32-还原成碳。选用循环伏安法和方波伏安法探究镍丝为工作电极上的电化学行为,选用不同的电位区间证明了镍电极上更多的还原峰归因于碳的生成。并研究了电解电位对碳微观形貌和电流效率的影响。
首先采用Li2CO3-Na2CO3熔盐体系,镍片作为工作电极,在550、600、650和700℃下恒电流电解获得蜂窝状、片状和纳米线状沉积物。EDS分析表明该沉积物由元素C和O组成,XRD谱图表明该产物为无定形碳。在550℃下合成了比表面积更高,热稳定性更好,形貌更规则的多孔碳材料。其次选用利用后的废旧离子交换树脂(含C、H、O、S)作为碳源在熔盐中充分氧化,在550℃下恒电流电解制备得到多孔碳材料。其微观形貌呈蜂窝状和纳米片堆叠状结构,相较于没引入碳源的形貌变化不大。Raman分析相较于没引入碳源的石墨化程度减小。通过HRTEM晶格图像发现,除无定形的碳结构外,还存在有序石墨层。EDS元素图谱发现除C和O元素,还有少量S元素存在,表面孔隙率得出其孔径分布仍以中孔为主。对两种制备条件下的碳材料进行电化学性能测试,发现电解温度对碳材料电容性能有重要影响,550℃下制备的碳材料具有更大的放电比容量和更优良的电化学性能,在0.5A?g-1电流密度下,比电容值最大是212F?g-1。引入阳离子树脂作为碳源电解制备的碳材料在0.5A?g-1的电流密度下的比电容值为231F?g-1。
采用熔盐氧化法,选用阳离子交换树脂和(Na,Li)2CO3以1:2的质量比混合均匀,在550℃保持0.5、1、2h后制备得到多孔碳材料。通过XRD分析产物均是无定形碳,Raman光谱分析得出随反应时间增加,材料石墨化程度增大。孔隙率分析得出存在很多微孔,相较于主要分布在中孔的电解法,有更高的比表面积。通过SEM和EDS测试分析了材料的微观形貌和微区化学组成。热重测试分析了不同反应时间制备的材料热稳定性。循环伏安、恒电流充放电、交流阻抗法探究了其电容性能,反应2h后制备的碳材料在0.5A?g-1的电流密度下的比电容为260F?g-1,熔盐氧化法制备的碳材料有较高的比表面积和较多的硫元素可提供赝电容。