碳气凝胶的合成与性能

碳气凝胶是Lawrence Livermore国家实验室(LLNL)开发的一类特殊类型的气凝胶(充气泡沫)。气凝胶固体基质由相互关联的胶体状碳颗粒或聚合物碳链组成,由预制体制剂和加工条件决定。

碳气凝胶通常由间苯二酚和甲醛的溶胶-凝胶聚合形成,然后通过超临界或蒸发干燥,随后在惰性气氛中高温热解。与通常是绝缘的所有其它类型的有机和无机气凝胶相反,所得碳气凝胶是导电的。碳气凝胶可以制成单块,复合材料,薄膜,粉末或微球。

在过去几十年中,碳气凝胶的化学和物理性能得到了广泛的研究。碳气凝胶的结构和性质主要由三个因素控制:

(1)起始溶液中单体结构单元(间苯二酚)与催化剂(碳酸钠)的摩尔比(R/C比);(2)热解温度;

(3)激活程序。

R/C比率影响间苯二酚-甲醛簇的数量及大小。在低R/C值(<100)时,簇倾向于小颗粒增长(<50A),并且存在高度的交联,导致高的表面积和更好的互连性。在大的R/C比下(如300),所得到的结构类似于具有较少连接性的胶体颗粒(大簇>100A)串。

在相同的R/C比下,材料表现出类似的粒度。气凝胶的密度随间二苯酚开始的浓度而变化。在这些情况下,高密度材料的单位体积比其低密度材料简单地具有更多交联的颗粒。这种独特的特征保证了可以合成具有特别大的表面积(600m 2/g)的高密度电极材料(大约1.2g/cc)。这些性能对于在储能装置中实现每单位体积的大电容是必要的。

多孔碳气凝胶控制其结构和性能的能力导致其作为先进储能装置和电化学装置中的电极材料的使用量的增加。空气电容器和电吸附工艺,包括碳气凝胶电容去离子(CDI)的工艺都已经成功被开发。

研究人员开发了薄碳气凝胶/碳纸复合材料,用于电化学双层电容器和电吸附工艺实验。多孔和薄电极结构改善了离子传输并降低了欧姆电阻。通过将间苯二酚-甲醛(RF)溶液浸渍到多孔商业碳纸中来合成复合材料。然后将这种RF/碳纸结构在密封容器中的两个玻璃板之间固化,防止蒸发。接着将固化的复合材料在丙酮中浸泡,随后在室温下干燥。最后,将RF/碳纸在氮气氛下热处理3小时,以使间苯二酚-甲醛(RF)组分碳化。

这样就制备了具有高密度(0.8g/cm3)和大的BET表面积(例如600m2/g)的薄电极。

虽然商业活性炭和活性炭纤维已经显示出较大的表面积(3000m2/g),但是它们的密度通常比较低(0.2g/cm 3)。因此,在体积相同的基础上,碳气凝胶的BET表面积(500m2/cm3)与从最高表面积商品材料获得的BET表面积相当。同样重要的是,气凝胶的孔径,孔径分布和微观组织对于双层的形成比来自以商业化的更有利。气凝胶中的孔体积分布显示了平均孔径约5nm(50A)的高斯分布行为,但是商业材料(即活化纤维)的孔径分析显示出其有很多具有小于1nm(10A)直径的孔。

由于在这些小孔中不可能有双层结构形成,所以电化学活性(有用的)区域仅代表BET表面积的一小部分。

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