PF基炭微球的水热法制备及其电化学性能的研究开题报告

 2021-08-08 12:08

1. 研究目的与意义

超级电容器是介于普通电容器和二次电池之间的一种储能元件,它兼具有普通电容器功率密度大和二次电池能量密度高的优点,可快速充放电而且循环寿命长,被广泛应用于计算机存储器的后备电源、电动汽车启动和爬坡时的辅助动力电源以及大型机电设备的辅助启动电源等。

超级电容器常用的电极材料是具有双电层电容的多孔碳材料,包括活性炭、炭纤维、炭气凝胶、中孔炭、骨架炭、炭微球等,以及具有氧化还原赝电容的金属氧化物和导电聚合物,其中炭微球具有耐热、耐腐蚀、孔径分布易控、吸附性能好、球形度好,比表面积可控等许多优点,是较为理想的超级电容器用新型炭材料。

炭微球的制备方法主要有水热法、化学气相沉积法、电弧放电法、模板法等。

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2. 国内外研究现状分析

王芙蓉等以线性酚醛树脂为原料,水蒸气为活化剂,制备的活性炭微球作为电极,在2 mv/s扫描速度下,比电容达到143 F/g。Li等以中间相炭微球为原料,采用KOH活化,制备的活性炭微球在160 mA/g 电流密度下的比电容达到257 F/g。研究表明, 炭微球被越来越多的研究者用作超级电容器的电极材料。Xu等采用悬浮聚合制备出平均粒径为1.01-1.03μm 的酚醛树脂微球; 陈晗青采用反相乳液聚合,制得间苯二酚甲醛微球,之后通过改性、掺杂,得到平均粒径在300nm~50μm的空心半球; 吴青霞等采用W/O静置反相乳化法合成酚醛树脂微球,并加入( NH4 ) 2 S2O8作为添加剂,微球的平均粒径1.13μm; 吕树芹利用水热法,通过控制反应过程各项因素,制备出平均粒径为4~5μm的微球。

水热温度和压力对制备的微球形貌有较大的影响:Lee J.H等在水热合成镍锌铁氧体磁性材料时发现水热温度越高制得产品衍射峰越强,饱和磁化强度越高。Noha Hee Jin等发现在150℃时可制得四角晶系的ZrO2,晶粒较细小,粒径只有20nm;200℃时粒径达到50nm,而250℃可制得单斜晶系的ZrO2,晶粒较为粗大,粒径达到80nm。He Yunpu在制备 SnO2时发现水热温度低于130℃时,反应缓慢且不完全,温度高于180℃,制得的产品颗粒过大且能耗增大,故选150℃为最适宜温度。采用水热法对锰锌铁氧体的制备条件进行了研究时发现水热反应中温度和压力对产品的影响的一般规律是:低温水热反应中,在一定的温度范围内,温度越高,自生压力越高,制得的产品结晶度越好,但超过一定值后就不再明显,所以找到这一温度点具有一定的现实意义和经济价值。

水热时间对制备镍锌铁氧体有较大的影响。在相同的水热温度下,水热时间越长,晶化越完整。Dang Duc Vuong等发现水热时间小于3h时,随着时间的延长,颗粒尺寸明显增大,当水热时间大于3h时,颗粒尺寸增大趋势变缓。Xing L等用含Ni2 、Zn2 的模拟废水采用水热晶化法制得镍锌铁氧体磁性材时,发现随着水热时间的延长,制得铁氧体的饱和磁化强度从1h时的48.4emu/g增至8h时的57.0emu/g。施尔畏等在从废电池水热法制备锰锌铁氧体时发现,延长水热时间有利于锰锌铁氧体的晶化过程,时间越长,制得粉体的衍射峰越明显,晶化越完全,颗粒越均匀完整,粒径越大。

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3. 研究的基本内容与计划

(1)尝试使用实验室废弃的酚醛树脂溶液(苯酚:甲醛=1:1.5物质的量之比)使用水热法制得PF微球,通过反应物浓度、水热温度和水热时间,对微球的大小进行调控,通过SEM选取水热最佳参数。

(2)将最优PF微球利用管式炉炭化制得PF炭微球。对于制得的炭微球进行SEM、FTIR、XRD等基本性能表征。在此基础上,通过循环伏安、恒流电流充放电测试、交流阻抗法分析PF炭微球电容器的电化学性能。

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4. 研究创新点

1.以废弃酚醛树脂为原料,通过水热法制备酚醛树脂微球,实现酚醛树脂的高效利用;

2.以酚醛树脂微球为前驱体,制备活性酚醛树脂炭微球,并表征其电化学性能,以开拓其在超级电容器领域的应用

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