利用高分子廢棄材料大規(guī)模制備多孔碳及其電化學性能研究.pdf

1、超級電容器作為一種綠色的能源存儲器件，是一種介于充電電池和傳統(tǒng)電容器之間具有快速充放電的新型功率型能源存儲設備。在超級電容器各種組件中，電極材料被認為對其性能產生決定性影響。其中，炭材料由于具有多方面的優(yōu)點（結構可控、比表面積高、密度低、機械穩(wěn)定性、導熱性高以及易于規(guī)?；a等），因此，超級電容器用碳基電極材料引起了人們的廣泛關注。本文首先利用模板碳化法制備出高比表面積、合理孔徑分布的多孔碳材料，然后對所制備的碳材料進行深入處理，以提高

2、其電化學性能。論文的主要研究內容如下:
　　1、通過利用模板碳化法將含鹵廢棄塑料轉變成納米多孔炭。這種普適性的方法使用鋅粉作為硬模板。通過實驗發(fā)現(xiàn)，含鹵廢棄塑料和鋅粉的比例以及炭化溫度對于所制備碳材料的結構和電化學性能產生決定性的影響。其中，聚四氟乙烯與鋅粉的混合物（質量比為1∶3）在700℃條件下所得到碳材料(PTFE-1∶3-700樣品)具有高的比表面積和大的孔容，分別為800.5m2·g-1，1.59cm3·g-1。同時，該

3、樣品在電流密度0.5Ag-1下，比電容可以達到313.7F·g-1，表現(xiàn)出優(yōu)越的電化學性能。此外，PTFE-1∶3-700樣品展現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。即使是充電-放電5000次后，其比電容仍然可以保持原來的93.10％。更加重要的是，制備納米多孔炭所用的碳源可以推廣到聚偏氟乙烯和聚氯乙烯，揭示了合成方法的普適性。
　　2、在此闡述一種有效的模板碳化法將廢棄聚氯乙烯(PVC)轉變成納米多孔炭。其中，使用廉價的Mg(OH)2作為硬模板

4、。在指定PVC與Mg(OH)2的比例（質量比為1∶2），碳化溫度為700℃下所制備的碳-空白樣品具有高度發(fā)達的孔隙結構，在本質上是非晶的。它同樣展現(xiàn)出高的比表面積（958.6m2·g-1）、大的孔容（3.56cm3·g-1）以及分級結構明顯的孔徑分布。為了進一步提高其電化學性能，利用碳-空白樣品與不同濃度的KMnO4溶液發(fā)生氧化還原反應，將不同含量的MnOx粒子嵌入到碳材料的基體中，得到碳-Mn1/Mn2/Mn3樣品。其中，碳-Mn2樣

5、品（碳材料與KMnO4的質量比為1∶1）表現(xiàn)出最優(yōu)秀的電化學性能。盡管其孔結構有一定程度的塌陷，它的比電容在電流密度1.0Ag-1下達到了751.5F·g-1，而原來的碳-空白樣品只有47.8Fg-1左右。碳-Mn2樣品所增加的比電容主要歸功于MnOx材料發(fā)生法拉第反應而產生的贗電容。當前所采用的合成方法為有效處理廢舊PVC提供了一條寬廣的道路，特別是在超級電容器中有著非常廣泛的應用前景。
　　3、在該實驗中，使用同步碳化和石墨化

6、的方法來合成具有分級結構的納米多孔石墨碳。其中，廢棄的聚偏氟乙烯(PVDF)作為碳前軀體，Ni(NO3)2·6H2O作為石墨化催化劑。實驗結果表明，碳化溫度對于納米多孔石墨碳孔的結構及其電化學性能產生決定性的影響。將炭化溫度從800℃提高到1200℃，其孔隙率有一定的減小，而石墨化程度卻有所提高。此外，隨著溫度的提高，碳材料樣品的比電容雖然有一定程度的減小，但是它的倍率性能和長周期循環(huán)穩(wěn)定性卻有明顯的提升。接下來，為了進一步提高超級電容

7、器的電化學性能，首次將鎂試劑(Ⅱ)作為氧化還原添加劑加入到2mol·L-1的KOH電解液中。同時，該實驗也研究了不同含量的鎂試劑(Ⅱ)對于電化學性能的影響。其中，在電解液中加入4mmol·L-1的鎂試劑(Ⅱ)時，其比電容在電流密度5.0Ag-1下可以達到430.1F·g-1，而在不添加鎂試劑(Ⅱ)時僅有144.5Fg-1。很明顯，鎂試劑(Ⅱ)與KOH的混合電解液通過氧化還原反應極大的提高了電極材料的電化學性能，因此可以應用于高性能的超級