多孔碳纳米球的制备及其电化学性能_杨秀涛

物理学报Acta Phys.Sin.Vol.66,No.4(2017)048101

多孔碳纳米球的制备及其电化学性能

∗杨秀涛梁忠冠袁雨佳阳军亮夏辉†

(中南大学物理与电子学院,长沙

410083)

(2016年10月11日收到;2016年10月31日收到修改稿)

以三嵌段共聚物F108为软模板,通过水热法合成酚醛树脂球并在氮气氛围下碳化、KOH 活化处理,最终得到多孔碳纳米球材料.通过扫描电子显微镜,透射电子显微镜和氮气吸附分析仪对样品进行表征,结果表明样品的平均粒径为120nm,球形度高,比表面积达到1403m 2/g,孔径分布广.通过X 射线衍射研究样品的结晶度,

序度提高明,10000次循环充放电后,关键词:PACS:1引上的电池,长、能影响较大[纳米管[5,6]球[12−14].物为模板,活化,得到活

P123(PEO 20-.

为软模板,利用水(porous .通过扫描电子X 射线,研究孔隙结构、

∗国家自然科学基金(批准号:51673214)资助的课题.†通信作者.E-mail:xhui73@

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网络出版时间：2017-01-12 10:56:13

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结晶度和表面官能团的影响.结合PCNS 样品的电化学性能的测试,研究了PCNS 样品的理化特性对其电化学性能的影响.

2实验部分

2.1

多孔碳纳米球的合成

首先,称取1.96g 三嵌段共聚物F108溶解于30mL 水中搅拌均匀得到澄清溶液A.然后称1.2g 的苯酚并量取4.2mL 质量分数为37%的甲醛溶液溶解于30mL 的0.1M(mol/L)氢氧化钠溶液,搅拌均匀,

min 体系中加入到溶液B.取物质烘干.氛下以700◦

物PCNS 为中性,900◦C 时,2.2600i)TWIX)比表面积S 孔面积(S 计算.品的孔径分布.用X 射线衍射仪(XRD,SIEMENS D500)在电压为40kV 、电流为100mA,Cu 靶、K α射线(λ=0.15056nm)、石墨单色滤波器以及衍射角为10◦—70◦的条件下以2◦/s 的速度对样品扫描.

用红外光谱仪(FTIR,Niclet 380)对样品在波数500cm −1—4500cm −1范围内进行扫描,根据得到的吸收光谱图分析样品的表面元素及官能团组成.

2.3电化学特性测试

采用辰华CHI660E 电化学工作站在三电极体

系进行电化学特性的测试.测试体系的对电极和参比电极分别采用铂片电极和Hg/HgO 电极,而工作电极的制备采用(1×1)cm 2泡沫镍为基底,将制备的多孔碳纳米球样品作为活性物-质和乙炔黑,用乙醇作为溶剂,60wt%聚四氟乙烯(PTFE)混合,调成浆状,,于10MPa 压(cyclic (galvano-GC)和电化学阻spectroscopy,5,10,20,50,100V 的电压区间进行·m ),

(1)

(A),放电时间(g).电化学kHz,微扰为,1(b)分别是PCNS 1(c)和图1(d)是照片,图1(e)和TEM 照片,每TEM 照片,KOH 处理后其粒径大小没有明显的改变.从选区电子衍射图可知,样品在⟨002⟩和⟨100⟩晶面处具有衍射特征峰.由超高放大倍数TEM 照片,可以看出样品PCNS700和PCN900的微晶有序度要高于PCNS 的有序度.

(b)

(d)

图1(24◦C,Fig.1.(e)900对样品个图谱中的,和43◦,征峰,度L c 其中,d 002d 002=λ2sin θ,L a =1.84λB cos θ,L c =0.89λ

B cos θ

,(2)

其中λ￿K α射线波长,B 是衍射峰半峰宽,θ是衍射角,得到L a 和L c 的值后可以计算石墨微晶的有效

1/3

,

(3)

可以看出,PCNS,002值呈下降趋势,样品比较L 还是很小,于样品有序度的增大.样品PCNS700比PCNS900具有更大的有序区域,这说明样品有序度的增大并不是温度越高越好.

表1

晶格特性参数

Table ttice properties from XRD measurements.Sample 2θ(◦)d 002/nm L a /nm L c /nm L (nm)PCNS 21.60.411 4.25 1.49 2.76PCNS70024.40.3648.67 1.13 4.05PCNS900

24.7

0.360

5.92

1.46

3.42

I n t e n s i t y /c S s -1

Fig.3.2结果.对压力处有明显的滞后环,这表明样品具有微孔和介孔分级多孔结构.图3(b)为孔径分布图,表明了样品中存在分级多孔结构.

微孔和介孔来源于树脂骨架的热解及F108热分解的共同作用以及KOH 的后处理作用,而大于20nm 的孔来源于纳米球堆积粒子间的间,,.PCNS70010088190.6490.4240.225PCNS900

1403

657

0.935

0.351

0.576

T r a n s m i t t a n c e /%

Wavenumbers/cm -1

图4(网刊彩色)多孔碳纳米球的红外光谱图

Fig.4.

得更多,900◦C,行FTIR 看出,样品碳碳双键(C (C—O),PCNS700C =C 3.3以及对电极电化学性能.相比于循环伏安曲线包围的几何面积明

显增大,这表明多孔碳纳米球的比电容在活化后有显著的提升.在低电压处PCNS700相

较于PCNS900存在更大的氧化还原峰,这说明PCNS700提供赝电容的电极材料表面官能团的含量比PCNS900大,这个结论和傅里叶红外光谱的结果是一致的.由于一部分表面官能团在发生氧化还原反应后会损耗掉,可以推测尽管PCNS700比电容比PCNS900大,但是其循环性不如后者.电极的比电容

由恒电流充放电测试得到,结果如图5(b)所示.图5(b)的恒电流充放电曲线是以0.2A/g 的

电流密度对工作电极片进行充放电得到的结果.将图5(b)测试的数据代入(1)式计算得到PCNS PCNS700F/g 和132F/g.,这,的比表面积增5(c)为随电流密度的增大,电极材料A/g 高的电流密度从图中可以看出,经过10000次循保留率为96.59%;F/g,经过10000F/g,保留率约为102.5F/g,经过100F/g,保留率约为97.5%.这个结果证实了循环伏安测试得出的推断,即PCNS700的循环性不如PCNS900.可见,电荷储存的方式以双电层为主,基本上没有氧化还原赝电容的电极材料有着优良的循环性.图5(e)是