碳泡沫的制备及其电化学性能研究

论文摘要

碳泡沫是一种以碳原子为骨架,碳原子之间相互堆积形成的多孔网状结构的轻质固态碳材料。碳泡沫以其较大的比表面积,较高的孔隙率和较低的热膨胀系数等特性,在电池电极、电化学电容器、热控材料、催化剂载体等领域都有着广阔的应用前景。本文将苯酚和甲醛为原材料合成液态可发泡酚醛树脂与正戊烷和吐温-80进行混合发泡得到酚醛树脂基泡沫体,然后通过埋烧碳化法对其进行碳化,并对制备出的碳泡沫进行了测试,主要得到如下结论:（1）通过红外光谱测试来确定酚醛树脂典型的树脂结构,将酚醛树脂前躯体与正戊烷,吐温-80进行混合,搅拌发泡,制备出酚醛树脂基泡沫。采用单因素条件实验,获得优化的制备条件为:V酚醛树脂:V正戊烷:V吐温-80=10:2:1;反应温度5060℃;搅拌速度1200rpm。（2）通过热重分析选择适宜的碳化升温程序。采用埋烧碳化法将酚醛树脂泡沫碳化制备碳泡沫,通过扫描电镜、X射线衍射仪和比表面测试仪对其结构、物相组成和比表面积进行表征。该方法制备的碳泡沫是具有一定的强度的轻质多孔材料,发泡均匀,孔洞完整,且相互连通,微观结构良好,碳泡沫的比表面积在350750m2/g之间。随着碳化过程温度的升高,碳泡沫有由无定形结构向石墨结构转变的趋势。（3）以自制碳泡沫制备低成本电极材料,并组装成水系电容器,通过恒流充放电、循环伏安特性以及交流阻抗等测试方法对其电化学性能进行了研究,实验结果表明:样品具有电化学电容器的基本性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 碳泡沫的发展历史
• 1.2 碳泡沫的制备方法
• 1.2.1 热固性聚合物的分解
• 1.2.2 发泡法
• 1.2.3 溶胶-凝胶法
• 1.2.4 Pocofoam 法
• 1.2.5 模板法
• 1.2.6 倒置相位法
• 1.3 碳泡沫的生成机理和结构特征
• 1.4 碳泡沫的应用前景
• 1.4.1 电化学电容器等电学材料
• 1.4.2 热控材料
• 1.4.3 机械及其他方面
• 1.5 前躯体的选择
• 1.5.1 酚醛树脂的发展史
• 1.5.2 酚醛泡沫体的主要制备方法
• 1.5.3 酚醛泡沫体的形成原理
• 1.6 发泡剂
• 1.7 本课题的研究目的和研究内容
• 1.7.1 研究目的
• 1.7.2 研究内容
• 第二章 酚醛树脂基泡沫体的制备研究
• 2.1 液态酚醛树脂的制备实验部分
• 2.1.1 主要试剂与仪器
• 2.1.2 化学反应合成原理
• 2.1.3 酚醛树脂制备步骤
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 不同催化剂对树脂凝胶化时间的影响
• 2.2.2 液态酚醛树脂的红外光谱分析
• 2.3 酚醛树脂泡沫的制备实验部分
• 2.3.1 主要试剂与仪器
• 2.3.2 酚醛树脂基泡沫体制备步骤
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 单独使用发泡剂和固化剂的空白试验
• 2.4.2 发泡剂的选择
• 2.4.3 酚醛树脂泡沫体的红外光谱
• 2.4.4 树脂合成时间对于树脂泡沫固化时间的影响
• 2.4.5 酚醛树脂基泡沫的热重分析
• 2.5 本章结论
• 第三章 酚醛树脂基碳泡沫的制备及其表征
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 主要试剂与仪器
• 3.1.2 碳泡沫制备过程
• 3.1.3 化学反应合成原理
• 3.1.4 碳泡沫样品的表征
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 碳泡沫的形貌分析
• 3.2.2 碳泡沫的物相组成
• 3.2.3 碳泡沫BET 的测试
• 3.2.4 酚醛树脂的干燥处理时间对碳泡沫的影响
• 3.2.5 发泡剂正戊烷的用量对碳泡沫的微观形貌的影响
• 3.2.6 匀泡剂吐温-80 的用量对碳泡沫的微观形貌的影响
• 3.2.7 固化剂用量的影响
• 3.2.8 反应温度对于碳泡沫结构的影响
• 3.2.9 搅拌速度对于碳泡沫结构的影响
• 3.3 本章结论
• 第四章 碳泡沫的电化学性能检测
• 4.1 主要原料与仪器
• 4.2 粘结剂的选择
• 4.3 电解液的选择
• 4.4 隔膜的选择
• 4.5 电化学电容器外壳的选择
• 4.6 电化学电容器的组装
• 4.7 结果与讨论
• 4.7.1 恒电流充放电测试
• 4.7.2 循环伏安测试
• 4.7.3 交流阻抗测试
• 4.8 本章结论
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 中英文摘要