碳纳米管接枝共聚物炭化制备多孔炭及其电容特性研究

本项目以制备适合于高功率应用的双电层电容器电极材料为目的，充分利用碳纳米管独特的中空结构、大长径比、高强高韧和导电性好以及聚合物化学共聚炭化方法所具有的孔结构容易调控、无环境污染、原料来源广泛、易规模化生产的优势，采用碳纳米管接枝共聚物炭化方法，制备在比表面积、中孔含量、导电性等方面具有优异综合性能的、可应用于超级电容器领域的新型多孔炭材料；通过考察共聚物体系固化、炭化时的结构演变规律，探明各结构参数和工艺参数与微相分离结构和孔结构的关系，寻求孔结构的有效调控方法。研究多孔炭材料作为双电层电容器电极材料时的充放电性能，特别是高频和大电流工作时的性能，探索能使电容器同时具有高比能量和高比功率的关键因素。这一技术路线将为制备高性能多孔炭材料提供一条新颖和有效的途径。

本项目以制备高容量、高功率的碳基储能材料为目标，以碳纳米管或石墨烯为基体材料，采用化学或电化学的方法，通过引发单体有机小分子聚合，或金属氧化物纳米球或纤维镶嵌或排列于纳米碳中，形成基于纳米碳的二维或三维结构，并通过聚合物或氧化物对纳米碳增强或改性效应，增强和丰富碳纳米材料的功能特性。这些复合结构体系显示了优异的储能性能。. （1）以酚醛树脂为炭前驱体，明胶为热不稳定聚合物，采用聚合物共混炭化法成功制备出超级电容器用以碳纳米管为网络骨架的多孔炭。电化学测试结果表明，在酚醛树脂与明胶质量比为1:1，碳纳米管含量为20%，炭化温度为800℃，炭化时间1h的条件下，碳纳米管骨架多孔炭的比电容达到最大168F/g，等效串联电阻为0.8Ω cm2。.（2）以三聚氰胺树脂为炭前驱体，用明胶包覆碳纳米管后，采用诱导胶体聚合的方法使碳纳米管均匀内嵌入炭基体中，成功制备出超级电容器用以碳纳米管为网络骨架的多孔炭球。电化学测试结果表明，以碳纳米管骨架多孔炭球为电极的超级电容器在不添加导电剂的情况下，等效串联电阻为0.9Ω cm2，比电容最大为189 F/g,能量密度达到26.3 Wh/kg，功率密度达到8 kW/kg，循环伏安曲线呈现优良的对称性。.（3）采用醋酸镉(Cd(Ac)2与苯胺单体复合形成固体模板合成了超疏水的PANI 空心棒，当苯胺:APS =1:0.7 时，合成的PANI为花型空心结构; 苯胺:APS =1:1 时，合成的PANI为表面带毛刺的空心结构，在扫描速率为2 mV/s时其电极的比电容分别为220.1 F/g 和381.6 F/g。.（4）通过静电组装一步法合成了四氧化三铁纳米棒/石墨烯复合结构，复合结构具有介孔结构特征。复合结构作为负极首次放、充电比容量分别为：1538mAh/g和925mAh/g，首次库仑效率60.2%。在1C充放电循环80个循环时，放、充电比容量保持率分别为80.5%和90%。.（5）一步氢热法合成纳米α-Ni(OH)2 颗粒嵌镶于RGO/CNT杂化体系的三维复合结构，电化学测试表明，比电容可达1320 F g−1 ， 1000 次循环后仍有1008 F g−1 ，y损耗率仅为7.8%. .（6）通过气溶胶方法精确控制定向碳纳米管阵列的开口状况、管壁厚度，为储能材料提供了有序的介孔碳结构，同时有望获得优异的电化学传感和储能性能。