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《天津大学》 2010年
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两亲性炭材料的结构及其在电极材料领域应用的研究

王瑨  
【摘要】:两亲性炭材料(ACM)是一种在保持沥青、生焦等前躯体固有优点的同时,还兼备了水溶性,富官能团性,热固性等优点的碳质材料。ACM在制备炭材料过程中可以避免有机溶剂的使用,降低化学试剂用量,省去氧化稳定化过程,具有经济,节能,环保的特点,符合绿色化工的要求。考察ACM的结构,形成机理,拓展其在储能领域的应用,具有一定的科研价值与应用前景。 本文结合多种表征手段对ACM的形成机理与结构特点进行了分析。分析表明,在混酸处理NC的过程中,会在分子的侧链、杂环或者边缘处发生氧化、硝化、磺化等一系列反应,引入-OH、-COOH、-NO2、-SO3H等官能团,此过程中主要发生了分子的官能团化和稠环分子的剥离,而稠环本身并未被严重破坏。ACM分子中富含官能团的部分成为亲水端,官能团含量少的部分成为亲油端。当ACM浓度过大时,分子间能通过有效碰撞形成一些胶束,进而形成凝胶,甚至是冻胶。通过溶剂置换法得到了具有同心圆结构的ACM纳米球,这种微球从侧面证明了ACM在水中是以纳米尺寸分散的。 材料在热处理过程中保持了良好的热固性,这是由于在ACM制备过程中,分子的侧链、杂环或者边缘处发生了化学反应,使得ACM分子C/H比增加,支链多被氧化,热塑性变差。以二甲基硅油为分散介质,ACM水溶液为分散相,采用溶剂挥发法宏量制得ACM微米球。石墨化后的ACM基炭微球作为锂离子电池负极材料具有较高的容量(340mAh/g)与首次效率(90%),并表现出优良的倍率放电性能。 由于ACM的两亲性,ACM分子可以在水/石墨界面生成一层自组装包覆层,将人造石墨的边缘与缺陷包覆起来,形成核-壳复合材料。ACM的用量对复合材料的性能有着重要的影响。用量过少不能形成完整的包覆层,用量过大会导致材料结块,破碎过程中破坏核-壳结构。采用少量多次包覆可以有效克服这一矛盾。理想的包覆能形成均匀、完整的包覆层,使材料堆积密度增高,比表面积降低。与原料人造石墨相比,复合材料的首次效率有所提高,不可逆容量降低,并且拥有良好的循环稳定性。 以ACM为前躯体在低KOH用量下可以得到同时具有高比表面积和一定中孔含量的活性炭,这是由于ACM能够在KOH溶液中均匀分散,并具有丰富的反应活化能较低的杂原子,以及较大的层间距,使得化学活化更为均匀而有效。通过调整碱炭比、活化温度和活化时间等参数,可以实现对活性炭孔结构的控制。在电化学测试中,ACM基活性炭展现出良好的双电层电容器特性和循环稳定性。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TQ127.11

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【参考文献】
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