酚醛树脂基微孔炭的设计、合成及其超电容和二氧化碳吸附性能-化学工程与技术专业论文.docx

I I 山东理工大学硕士学位论文 摘要 摘 要 微孔炭材料在超级电容器和二氧化碳捕集领域已经表现出潜在的应用前景。研究 表明，碳材料的孔尺寸和分布与所选电解液的离子尺寸相匹配是超级电容器保持优异 电容性能的必要条件之一，丰富的微孔和氮元素掺杂可以有效提高微孔炭对二氧化碳 温室气体的吸附性能。本文以酚醛树脂为碳源，制备了两类酚醛树脂基微孔炭，并研 究了所制备微孔炭材料的超电容性能和二氧化碳吸附性能。 以 2,4-二羟基苯甲酸和甲醛为原料，不同碱金属氢氧化物作为催化剂，首先制备 了酚醛树脂羧酸盐，直接热解羧酸盐制备了孔分布集中且孔尺寸可调的微孔炭材料 (MACs)。利用树脂酚环上高度分散的活化能力不同的碱金属离子，实现了微孔尺寸 的精确调控，且随活化离子半径增大，微孔平均尺寸从 0.63 增大到 0.76 nm。系统的 电化学研究表明，影响 MACs 电容性能最为重要的因素是其孔尺寸与电解液离子的 匹配程度。在 KOH 电解液中，所制备的 MACs 在较高的电流密度和频率下均具有较 高的电容保持率，其中 CsAC 具有最好的超电容性能，电容值高达 221.6 F g-1，10 000 次恒流充放电测试循环结束后，其电容值几乎保持不变，保持率高达 98 %；在 EMIMBF4 电解液中，超级电容器可以提供更高的能量密度，测试温度 60 °C 时，CsAC 的电容值高达 222.1 F g-1，相应的能量密度高达 30.8 Wh kg-1。二氧化碳吸附结果表明， 微孔孔容对其吸附性能起到决定性作用。在 25 °C 和 1 bar 的条件下，CsAC 的 CO2 吸附量高达 5.19 mmol g-1，且其 CO2/N2 选择性为 18，并具有稳定的循环再生性。 以 3-氨基酚和甲醛为原料，KOH 作为催化剂和活化剂，直接热解酚醛树脂干凝 胶，制备了一系列微孔尺寸集中分布的氮杂微孔炭材料(NMC-x)。通过 SEM、EDS、 XRD 和 XPS 等表征手段对炭材料的结构、形貌及表面性质作了分析。结果显示，所 制备的 NMC-x 氮含量在 1.3-3.8 at%之间，微孔尺寸精确控制在 0.50-0.58 nm 之间， 且随碳化温度的增加，NMC-x 的表面含氮官能团逐渐减少，微孔尺寸同时呈现出逐 渐增大的趋势。电化学研究表明，氮含量最高的 NMC-600 比电容值最大，达 195.4 F g-1，NMC-700 具有最优的比电容值保持率，表明杂原子(主要是 N 元素)掺杂对超级 电容器电极材料的电容性能影响较大。二氧化碳吸附结果表明，NMC-x 具有优异的 低压二氧化碳吸附性能，其中，NMC-600 在 25 °C 和 0.15 bar 的条件下，二氧化碳吸 附量高达 1.67 mmol g-1，该数值远高于同等条件下其他碳材料对二氧化碳的吸附量。 同时，NMC-600 对二氧化碳吸附具有优越的选择性，其 CO2/N2 选择性为 50，三次循 环测试表明 NMC-x 具有稳定的循环再生性。 关键词：酚醛树脂；微孔炭；氮掺杂；超级电容器；二氧化碳吸附 山东 山东理工大学硕士学位论文 Abstract Abstract Microporous carbon materials have shown great potential application prospects in supercapacitor and carbon dioxide capture areas. Recent studies have found that the pore size and distribution of carbon materials matching the selected electrolyte ions is one of necessary conditions to keep the excellent capacitance for supercapacitors, and the abundant micropores and nitrogen functional groups could effectively improve the CO2 sorption performance of the microporous carbon materials. In this study, we reported two types of microporous carbons by using the phenolic resin as carbon source, and studied their supercapacitance and CO2 sorption performance. A series of