基于固廢高分子材料制備多孔炭材料及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、固廢高分子材料的資源化再利用是亟待解決的問(wèn)題，也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。本論文以不同固廢高分子材料為原料制備納米多孔炭材料，研究炭材料的可控合成及其電化學(xué)性能，以應(yīng)用于超級(jí)電容器，為廢舊高分子材料的資源化利用提供新途徑。論文以聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、乙二胺四乙酸二鈉鹽配合物等固廢高分子材料為原料和CaCO3、 Ca(OAc)2、檸檬酸鎂、Mg(OH)2等為模板劑，采用模板炭化法制備一系列納米多孔炭材料，選擇XR

2、D、FESEM、HRTEM、Raman、XPS等技術(shù)手段對(duì)炭材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，選用三電極系統(tǒng)對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，包含CV曲線、充放電曲線、循環(huán)穩(wěn)定性、Nyquist圖等。論文的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.以聚四氟乙烯(PTFE)固廢材料為原料，采用CaCO3協(xié)同模板炭化法研制納米多孔炭材料，并研討其電化學(xué)特性。結(jié)果表明，PTFE與CaCO3之間的質(zhì)量比，以及炭化溫度決定著炭材料的孔結(jié)構(gòu)。在PTFE與CaCO3質(zhì)量比為2∶1、

3、炭化溫度為700℃的條件下得到的炭材料樣品（標(biāo)記為carbon-2∶1）具有良好的多孔特性，其總孔容為0.65 cm3 g-1，BET比表面積為646.3 m2 g-1。在6 mol L-1 KOH溶液為電解液的三電極系統(tǒng)中，在電流密度為1 Ag-1時(shí)，樣品的質(zhì)量比電容可達(dá)179.9F g-1。在此基礎(chǔ)上，為了更好地調(diào)控carbon-2∶1樣品的孔結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能，在反應(yīng)體系中加入了適量的CO(NH2)2物質(zhì)，在PTFE、CaCO3與C

4、O(NH2)2質(zhì)量比為2∶1∶2、炭化溫度為700℃的條件下得到炭材料樣品（標(biāo)記為carbon-2∶1∶2），該樣品的BET比表面積更大，達(dá)1048.2 m2 g-1，總孔容更高，達(dá)到1.03 cm3 g-1，在電流密度為1 Ag-1時(shí)，該樣品的比電容也提升到237.8F g-1。本論文提出的CaCO3模板炭化法具有簡(jiǎn)單、高效、可重復(fù)性高以及易于工業(yè)化生產(chǎn)等特點(diǎn)，可應(yīng)用于含鹵體系固廢高分子材料的資源化利用。
　　2.以聚對(duì)苯二甲酸

5、乙二醇酯(PET)固廢材料為原料，采用Ca(OAc)2·H2O為硬模板，炭化法制備納米多孔炭材料，研究其電化學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PET固廢與Ca(OAC)2·H2O之間的質(zhì)量比對(duì)于炭材料的多孔結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能有著重要的影響。在PET與Ca(OAC)2·H2O質(zhì)量比為3∶1、炭化溫度為800℃的條件下得到的炭材料樣品（標(biāo)記為carbon-3∶1），具有較好的多孔特性，其BET比表面積為749.6 m2g-1、總孔容為0.52 cm3 g

6、-1。在6 mol L-1 KOH溶液為電解液的三電極體系中，該樣品在電流密度為1 Ag-1時(shí)的質(zhì)量比電容可達(dá)到402.2 F g-1，在電流密度增大到40 A g-1時(shí)，相應(yīng)的質(zhì)量比電容可保持172 F g-1。此外，該carbon-3∶1樣品經(jīng)過(guò)5000次循環(huán)后比電容仍可以保持96.05％，顯示出優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性。因此，Ca(OAC)2·H2O輔助模板炭化法可以用于聚酯廢舊塑料制備超級(jí)電容器中的多孔炭材料。
　　3.采用檸檬酸

7、鎂為硬模板，以聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氯乙烯(PVC)、聚四氟乙烯(PTFE)等固廢材料為原料，炭化法制備相應(yīng)納米多孔炭材料，對(duì)其在超級(jí)電容器中的電化學(xué)性能進(jìn)行研究。在炭化溫度為700℃下，固定PTFE、PVC、PVDF與檸檬酸鎂的質(zhì)量比為1∶1，即可制備出PTFE-1∶1-700、PVC-1∶1-700和PVDF-1∶1-700三種樣品。XRD、Raman和FESEM測(cè)試表明該系列炭材料樣品均呈現(xiàn)出典型的非晶態(tài)特征，且具有納米尺寸形

8、態(tài)。N2吸附-脫附測(cè)試結(jié)果表明，BET比表面積和總孔容的大小順序?yàn)?PVDF-1∶1-700＞PVC-1∶1-700＞PTFE-1∶1-700，且PVDF-1∶1-700樣品的BET比表面積可達(dá)668.3 m2 g-1、總孔容為0.60 cm3 g-1，顯示出較好的多孔性能。以6 mol L-1KOH作為電解液，使用三電極系統(tǒng)，室溫下在超級(jí)電容器中測(cè)定炭材料樣本的電化學(xué)性能，結(jié)果提示，在電流密度為1 Ag-1下，PTFE-1∶1-700

9、、PVC-1∶1-700和PVDF-1∶1-700樣品的質(zhì)量比電容分別可以達(dá)到33.5 Fg-1、31.7 Fg-1和89.6 Fg-1，其中PVDF-1∶1-700樣品具有最高的比電容數(shù)值。因此，檸檬酸鎂輔助模板炭化法具有簡(jiǎn)單、高效、低污染、可規(guī)?；a(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，可以用來(lái)資源化利用廢舊塑料。
　　4.利用固廢乙二胺四乙酸鎂配合物為炭源/氮源，Mg(OH)2為模板劑，通過(guò)模板炭化法制備氮摻雜的納米多孔炭材料，并進(jìn)行超級(jí)電容器領(lǐng)域中的

10、電化學(xué)性能研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，引入Mg(OH)2可以顯著改變炭材料樣品的孔結(jié)構(gòu)，并有效提升其電化學(xué)性能。直接在800℃下炭化乙二胺四乙酸鎂配合物與Mg(OH)2（質(zhì)量比為1∶3），得到的樣品（標(biāo)記為carbon-1∶3-800）的BET比表面積大，達(dá)到766.8 m2 g-1，總孔容高，達(dá)1.16 cm3 g-1，氮含量為9.48％。在6 mol L-1 KOH溶液為電解液的三電極測(cè)試體系中，carbon-1∶3-800樣品在電流密度為