多孔碳球及石墨烯-二氧化鈦納米復合材料的制備及應用研究.pdf

1、化石燃料的日益枯竭以及其所帶來的日益嚴重環(huán)境問題，迫使人們急切的需要尋找一種能夠代替化石能源的新能源。氫氣具有可再生、無污染、熱值高等優(yōu)點，是一種理想的新能源。目前，限制氫氣大規(guī)模應用的主要瓶頸是如何將氫氣安全又經濟的儲存起來。在眾多的儲氫材料中，碳微球具有比表面積大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點，尤其是其結構可調性好，特別適合作為儲氫材料。關于碳微球的儲氫研究也越來越為人們所重視。本文旨在探討使用不同的方法來制各碳微球,并研究這些方法對碳微球的結構

2、以及儲氫性能的影響。同時，石墨烯因為具有電導性好、化學和熱穩(wěn)定性好以及優(yōu)良的機械性能等優(yōu)點，在復合材料、鋰離子電池以及超級電容器等領域有著廣泛的應用。本文也提出了一種制備石墨烯-二氧化鈦納米復合材料的新方法，并研究了這種復合材料作為超級電容器電極材料的電化學性能。
　　 本文主要進行了以下三方面的工作:
　　 (1)本文使用了一種由兩種路徑來制備微孔碳球的新方法。以苯乙烯-二乙烯基苯共聚物(PS-DVB)聚合物微球為前驅

3、體，分別使用兩種尺寸不同的交聯(lián)劑，四氯化碳和1，2-二氯乙烷，進行超交聯(lián)反應，最后經過高溫炭化即可得到孔結構不同的微孔碳球。此外，我們還改變前驅體中DVB的含量，研究DVB含量對碳球孔性能的影響。掃描電鏡、透射電鏡結果表明，我們成功的制備了具有不同孔結構的微孔碳球，使用二氯乙烷為交聯(lián)劑所制備的碳球的尺寸要大于四氯化碳所制備的碳球。同時氮氣吸附/解吸附結果表明，使用二氯乙烷為交聯(lián)劑所制備的碳球的微孔體積要大于四氯化碳所制備的碳球，而微孔尺

4、寸小于四氯化碳所制備的碳球。這些碳球的比表面積在400-510m2g-1之間，微孔平均尺寸在0.68nm-0.78nm之間，這些都是有利于儲氫的參數(shù)范圍。所制備的碳球在850mmHg的壓力和77K的溫度下的儲氫量能夠達到1.86wt％。本文所使用的方法為今后優(yōu)化碳材料孔道結構提供了一種新的借鑒。
　　 (2)本文使用了一種多步處理的方法來制備微孔碳球。首先將實心的PS-DVB聚合物微球洗中空，然后以中空的PS-DVB聚合物膠囊作

5、為前驅體，經過超交聯(lián)、磺化和炭化過程，制備具有多級孔分布孔道結構的碳球。此外，還研究了當前驅體中DVB的含量改變時，所制備的碳球的結構的變化。對所制備的碳球進行了掃描電鏡、透射電鏡、紅外光譜、X射線衍射、拉曼光譜以及氮氣吸附/解吸附實驗。結果表明，我們成功的制備了具有多級孔分布的微孔碳球，這些碳球的比表面積最高可以達到1149m2g-1，微孔比表面積也高達763m2g-1。在850mmHg的壓力和77K的溫度下的儲氫量最高為5.92wt

6、％。這對碳材料來說是一個較高的數(shù)據(jù)。
　　 (3)本文使用一種超臨界二氧化碳輔助的方法來制備二氧化鈦納米顆粒-石墨烯納米復合材料(TiO2NPs-G)，同時研究了TiO2前軀體的用量對復合材料形貌的影響。利用掃描電鏡(SEM)，透射電鏡(TEM)，X射線衍射(XRD)，紅外光譜(FT-IR)，以及電化學工作站對復合材料進行了表征。表征結果表明，二氧化鈦納米顆粒以Ti-O-C化學鍵的形式均勻的分散在石墨烯的表面。TiO2前軀體的量