碳氣凝膠的合成與性能

碳氣凝膠是Lawrence Livermore國傢實驗室(LLNL)開發的一類特殊類型的氣凝膠(充氣泡沫)。氣凝膠固體基質由相互關聯的膠體狀碳顆粒或聚合物碳鏈組成,由預制體制劑和加工條件決定。

碳氣凝膠通常由間苯二酚和甲醛的溶膠-凝膠聚合形成,然後通過超臨界或蒸發幹燥,隨後在惰性氣氛中高溫熱解。與通常是絕緣的所有其它類型的有機和無機氣凝膠相反,所得碳氣凝膠是導電的。碳氣凝膠可以制成單塊,復合材料,薄膜,粉末或微球。

在過去幾十年中,碳氣凝膠的化學和物理性能得到瞭廣泛的研究。碳氣凝膠的結構和性質主要由三個因素控制:

(1)起始溶液中單體結構單元(間苯二酚)與催化劑(碳酸鈉)的摩爾比(R/C比);(2)熱解溫度;

(3)激活程序。

R/C比率影響間苯二酚-甲醛簇的數量及大小。在低R/C值(<100)時,簇傾向於小顆粒增長(<50A),並且存在高度的交聯,導致高的表面積和更好的互連性。在大的R/C比下(如300),所得到的結構類似於具有較少連接性的膠體顆粒(大簇>100A)串。

在相同的R/C比下,材料表現出類似的粒度。氣凝膠的密度隨間二苯酚開始的濃度而變化。在這些情況下,高密度材料的單位體積比其低密度材料簡單地具有更多交聯的顆粒。這種獨特的特征保證瞭可以合成具有特別大的表面積(600m 2/g)的高密度電極材料(大約1.2g/cc)。這些性能對於在儲能裝置中實現每單位體積的大電容是必要的。

多孔碳氣凝膠控制其結構和性能的能力導致其作為先進儲能裝置和電化學裝置中的電極材料的使用量的增加。空氣電容器和電吸附工藝,包括碳氣凝膠電容去離子(CDI)的工藝都已經成功被開發。

研究人員開發瞭薄碳氣凝膠/碳紙復合材料,用於電化學雙層電容器和電吸附工藝實驗。多孔和薄電極結構改善瞭離子傳輸並降低瞭歐姆電阻。通過將間苯二酚-甲醛(RF)溶液浸漬到多孔商業碳紙中來合成復合材料。然後將這種RF/碳紙結構在密封容器中的兩個玻璃板之間固化,防止蒸發。接著將固化的復合材料在丙酮中浸泡,隨後在室溫下幹燥。最後,將RF/碳紙在氮氣氛下熱處理3小時,以使間苯二酚-甲醛(RF)組分碳化。

這樣就制備瞭具有高密度(0.8g/cm3)和大的BET表面積(例如600m2/g)的薄電極。

雖然商業活性炭和活性炭纖維已經顯示出較大的表面積(3000m2/g),但是它們的密度通常比較低(0.2g/cm 3)。因此,在體積相同的基礎上,碳氣凝膠的BET表面積(500m2/cm3)與從最高表面積商品材料獲得的BET表面積相當。同樣重要的是,氣凝膠的孔徑,孔徑分佈和微觀組織對於雙層的形成比來自以商業化的更有利。氣凝膠中的孔體積分佈顯示瞭平均孔徑約5nm(50A)的高斯分佈行為,但是商業材料(即活化纖維)的孔徑分析顯示出其有很多具有小於1nm(10A)直徑的孔。

由於在這些小孔中不可能有雙層結構形成,所以電化學活性(有用的)區域僅代表BET表面積的一小部分。

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