电极材料用糖基碳材料的可控制备与应用探索

Carbon materials have attracted much attention in recent years for its application for Li ion battery and supercapacitor. Meanwhile, synthesis of carbon materials from biomass-derived carbohydrates such as saccharide has played very important role in recent research acitivties. Therefore, this study investigated the carbonaceous materials produced by using saccharides via hydrothermal procedure. Afterwards, the carbonaceous materials will be treated under protected atmosphere at 1000 oC in order to be used as electrtrode material. In the past, this type of carbon was defined as stacking disordered graphene layers or the amorphous area embedding and cross-linking more graphitic ones. However, in our previous studies, it was found the carbonaceous materials prepared by hydrothermal method were actually formed by aggregation of primary particles. Moreover, it was difficult to find any localized aromatic ring structure in the carbons after heat treatment. Therefore, on the basis of this rebuilted understanding of chemical and physical structure, we can design the novel structure of carbons, which is to control the size, shape and distribution of pores, giving rise to increasing the energy storage properties. Furthermore, by using this cabonaceous materials, we designed, developed and constructed SnO2@C nanocomposite materials with various structures so as to achieve better electrochemical performance.

碳质材料作为锂离子电池和超级电容器的电极材料一直受到广泛的关注, 而从糖类化合物提取碳材料更是近几年的热点之一。 本课题采用糖类化合物（果糖，葡萄糖，蔗糖和淀粉）为原料，运用水热法提取碳质材料，而后在无氧气氛下1000 oC左右热处理，制得适合作为电极材料的碳质材料。本课题组在前期的研究工作中发现，糖类化合物在水热反应中，所生成的碳质材料是由独特的纳米微粒聚集生长而成。而经过后期的热处理后，也未发现有任何芳香化的迹象，而非以往认为从糖类得到的碳质材料为硬碳材料，即由相互交错的单石墨层构成，或有石墨微晶与无定形碳组成。由此判断，硬碳材料的储锂能力源自于材料中的孔隙。因此，在重新认识此碳质材料的化学与物理结构的基础上，对糖基碳质材料进行结构上的设计，例如微孔化或介孔化，以提高作为电极材料的性能。另外，应用此碳材料，控制制备不同结构碳锡纳米复合材料， 亦可获取拥有更好性能的电极材料。

碳质材料作为锂离子电池和超级电容器的电极材料一直受到广泛的关注, 而从糖类化合物提取碳材料更是近几年的热点之一。 本课题采用糖类化合物（果糖，葡萄糖，蔗糖和淀粉）为原料，运用水热法提取碳质材料，而后在无氧气氛下1000 oC左右热处理，制得适合作为电极材料的碳质材料。本课题的研究工作中发现，糖类化合物在水热反应中，所生成的碳质材料是由独特的纳米微粒聚集生长而成。实验结果表明在此温度热处理后，也未发现有任何芳香化的迹象，而非以往认为从糖类得到的碳质材料为硬碳材料，即由相互交错的单石墨层构成，或有石墨微晶与无定形碳组成。由此判断，硬碳材料的储锂能力源自于材料中的孔隙。因此，在重新认识此碳质材料的化学与物理结构的基础上，对糖基碳质材料进行结构上的设计，例如微孔化或介孔化，以提高作为电极材料的性能。热处理后，本课题制备的碳材料比表面积在450 m2/g, 测得锂离子电池比容量为430 mAh/g。此外，本课题采用水热法，并通过使用不同的单一铁盐，包括FeSO4、FeCl2、Fe2(SO4)3、FeCl3和Fe(NO3)3，制备FeOOH产物，从而对5种铁盐的水解产物有了整体的认识。本实验中除Fe2(SO4)3外，其它铁盐都成功合成了不同形貌的高电活性的FeOOH纳米颗粒，其中Fe(NO3)3得到的杆状产物在1A/g的电流密度下表现出619.6F/g的高比电容。这种简单的合成方法和表现出的大的比电容，说明铁基电极材料在高性能超级电容器电极材料方面的实际应用中会有巨大的潜力。在乙二胺（EN）辅助Fe2(SO4)3制备Fe2O3的溶剂热反应中，我们得到了准一维结构的微纺锤形Fe2O3。加入的EN的量越多，纺锤形Fe2O3颗粒的尺寸就越大。获得的不同尺寸的微纺锤形结构的Fe2O3在1A/g的电流密度下表现出较高的比电容，其中最高的达到558.7 F/g.