新型碳纳米材料的合成、表征与电化学性能改进
化石燃料（包括煤、石油、天然气等），作为传统能源主要的担载形式，目前正面临着短缺甚至枯竭的境况，同时这类传统能源形式已经对环境造成不可逆的破坏。然而，现有的可替代的能源形式如风能、太阳能、核能及水能发电对于整体能源架构的占有却仍旧有限，所以必须发展新型的能源形式，可以清洁高效可持续地供给人类生产生活所需的能源，同时，这类新型能源有效的存储也具有较高的科研及实验价值。在这些新型能源产生的方式方法中，燃料电池和太阳能电池是较为可行的两种方式，起步均为较早，但限于整装器件的成本考虑（如燃料电池需要用到大量储量较少的贵金属铂、太阳能电池需要用到较多的高质量的硅材料等），一直没有得到广泛的商业应用，除非这些器件的电极材料可以得到较为经济的解决方式。此外，对于能量的高效可逆存储（主要针对电能的存储释放），合适的电极材料也是较为关键的技术性问题。 针对能量的经济、高效、稳定的转化和能量的高效可逆存储释放，论文作者，基于整装器件的高性能低成本考虑，致力通过新型碳纳米材料的制备与表征，开发得到一系列高性能电极材料，作为能量的转化和存储之用。同时，所提出的一系列碳纳米材料合成相关的观点亦可以充实本领域碳材料的开发、表征及应用，提供了较为可行性的参考。本论文主要开展了以下四方面的研究: 1.本论文开发了一种室温下制备高质量碳纳米材料的策略，该策略为使用强碱（可为无机碱也可为有机碱）高效地对非传统意义的高分子碳源:卤化高分子进行去官能团化，因为该类高分子碳源具有简单官能化:卤族元素和氢官能团，均为较易脱除的官能团，脱除官能团后的全碳骨架被验证具有超高的反应活性，不但可以完成高效的C-C偶联，制备得到具有一定石墨化的碳材料，还可以在有机掺杂剂存在的情况下，完成C对于多种有机元素（如N、S、P等）偶联。 2.针对于实际情况中对于电极材料特性的要求，需要对于所使用的电极材料进行特定形式的结构化，以利于质量输运，提速电化学催化反应以及增加储能器件的功率密度。而目前存在的碱性物质种类繁多且形貌各异，可以在提供碱性对卤化高分子进行脱卤的同时，作为模板筑成具有特定形式的孔道结构。如:固体ZnO在高温下表现出较高的碱性，可以对聚偏二氯乙烯(PVDC)在其软化状态下进行脱氯，形成的大量水汽可以对于碳母体进行鼓泡，制造得到类二维结构的碳材料。此外，所形成的产物ZnCl2，可以在高温下，对已经形成的多孔（水汽形成的大孔和纳米ZnO形成的介孔）碳材料进一步活化，得到丰富的微孔，经过这两大类的耦合反应，所制备的碳材料的孔道为多级结构，且具有较大的比表面积（900℃焙烧的产物具有1549m2/g的比表面积）。所得多级孔碳材料具有高度催化ORR的性能，碱性电解液中，在各个需要衡量的方面均超过贵金属Pt/C催化剂。 3.所开发的高分子脱卤策略同样适用二维卤化“高分子”:氟化石墨，可以在较为温和条件下，适用强碱对氟化石墨进行脱官能团，制备水溶性官能化石墨烯。一些本身含有所需掺杂的元素的特殊强碱如NaNH2、Na2S可以直接在脱氟后对石墨烯进行功能化，得到N或是S掺杂的水溶性石墨烯。此方法，相对于传统制备功能化石墨烯的方法:强酸强氧化环境得到的官能化石墨烯，具有较高的安全性和简易性。 4.石墨烯，作为近些年的明星材料，在物化性质方面具有不可比拟的优势，不同合成和处理方式对于其性能的改变较为关键，本论文对于能源领域对于材料设计的要求，针对性的提出石墨烯的官能团不对称修饰、结构化的可行性方案。本论文此部分工作在为此领域提供一系列可靠的石墨烯材料的同时，系统的开发液相石墨烯的低能耗高安全性制备方法。
电极材料;碳纳米材料;制备工艺;结构表征;电化学性能
北京化工大学
博士
化学
孙晓明
2016
中文
TM242;TM205.1
198
2017-05-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）