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[01393503]耐腐蚀介孔碳复合材料的制备及其在燃料电池电极中的应用

交易价格: 面议

所属行业: 电池充电器

类型: 非专利

交易方式: 资料待完善

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产权明晰
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技术详细介绍

本项目围绕纳米结构无机氧化物/碳复合电极材料的制备和性质展开研究。按照项目计划,以致孔剂、酚醛树脂、无机物前驱体为原料,通过自组装技术、纳米铸造技术和静电纺丝技术,制备了一系列孔隙率高、导电性好的介孔碳/无机物复合材料。纳米结构无机物和多孔碳的协同作用使复合材料的稳定性显著提高。选择适当的无机物前驱体,合理控制复合材料的组成、配比以及孔结构,使介孔碳和无机物形成互穿网络结构,优化了材料的稳定性、导电性和离子传输效率,提高了材料的电化学性能和使用寿命。项目深入研究了介孔碳/无机物复合材料的组成、结构和电化学性能之间的关系,为解决目前电极材料成本高、稳定性差的问题提供了一种新思路,有望为新型绿色能源的应用奠定基础。 (1)以可溶性酚醛树脂低聚物和功能性无机组分(如二氧化硅、二氧化锡、二氧化钛等)前驱体为构筑单元,双亲性嵌段共聚物为致孔剂,通过自组装过程得到具有六方、立方结构的液晶相。经过热处理后,低聚物进一步聚合交联形成酚醛树脂网络结构,在惰性气体保护下高温处理制备了介孔碳/无机陶瓷复合材料。该方法制备的介孔碳/陶瓷复合材料具有良好的物质传输性能。同时,其连续的复合骨架可保证材料较好的化学稳定性和电子传输性能。选择适当的陶瓷材料,合理控制原料的配比和反应条件,可以构筑不同孔通道结构。通过X射线衍射、透射电镜、比表面积和孔隙率测试等表征手段对所得介孔碳复合材料的微观结构、表面形态进行了分析,提高了材料的比表面积和孔隙率,进一步优化了材料的导电性和抗腐蚀性能。对以往工作进行了总结,相关文章发表在Chinese Chemical Letters, 2013, 24(2), 89上。 (2)以二维六方结构的介孔酚醛树脂为微反应器,将熔融的SnCl2·2H2O充分渗透到酚醛树脂的纳米孔道中,在惰性气体保护下高温碳化后得到氧化锡纳米线阵列/碳复合材料。在惰性气体/空气的混合气氛下对复合材料中的碳进行部分烧蚀,控制惰性气体和空气的比例、烧蚀温度和时间等因素优化了氧化锡纳米线阵列和碳组分的比例。该方法实现了纳米线阵列和碳材料在酚醛树脂碳化过程中同时形成,简化了后续包覆碳的繁琐程序。由于纳米线间连续孔通道的存在及碳的支撑和缓冲作用,所制备的复合材料能够有效减缓二氧化锡充放电过程中的体积变化和结构破坏,有效降低了不可逆容量,使电极材料在提高电化学性能和循环寿命方面的性能得到了优化。材料的首次放电容量高达1627 mAhg-1,充电容量为672 mAhg-1,充放电循环60次后,可逆容量仍高达554 mAhg-1。技术部分已授权发明专利(专利号201310733497.3),相关文章发表在Electrochimica Acta, 2015, 158, 321上。 (3)以尺寸均一的磺化聚二乙烯基苯纳米管为模板,通过溶胶-凝胶过程制备了介孔二氧化锡纳米管电极材料。该方法的优势在于:(1)由于磺化聚二乙烯基苯纳米管表面带负电荷,因而带正电荷的二氧化锡前驱体很容易吸附到模板表面形成核-壳结构;(2)磺化聚二乙烯基苯纳米管模板易通过灼烧除去,而二氧化锡的纳米结构可以完整保留;(3)灼烧过程中聚合物分解产生的气体和压力可通过二氧化锡纳米管的介孔通道和开放的中空管道释放掉。所制备的介孔二氧化锡纳米管具有连通的中空和多孔结构,比表面积和孔隙率高,能够缩短离子扩散路径,缓解充放电过程中体积变化和粉末化引起的不可逆容量衰减,提高电池的使用寿命。材料的首次放电容量高达1846 mAhg-1,充电容量为637 mAhg-1,充放电循环50次后,可逆容量仍高达513 mAhg-1,库伦效率96%,而相同测试条件下的商品二氧化锡纳米颗粒可逆容量仅为286 mAhg-1,可见介孔二氧化锡纳米管电极材料在充放电容量、库仑效率、使用寿命等方面都有显著提高,这对于研制高稳定性电池电极具有重要意义。相关成果发表在Journal of Materials Chemistry A, 2013, 1(9), 2995上。 (4)以碳纳米纤维为模板,利用简单的溶液生长法在其表面制备了二氧化锡纳米晶,高温除去碳纳米纤维后得到介孔二氧化锡纳米管。所得纳米管的介孔结构为离子传输提供了有效通道,高比表面积提高了反应速率以及充放电速度。此外,中空管腔能够缓解充放电过程中体积变化引起的内应力,有利于材料结构和性能的稳定,而纳米管两端的开口又为管腔内外离子的传输提供额外的通道。以上结构优势使所制备介孔二氧化锡纳米管表现出优异的电化学性能,首次放电和充电容量分别高达2002 mAhg-1和726 mAhg-1,充放电循环50次后,可逆容量仍高达585 mAhg-1,相关文章发表在Electrochimica Acta, 2013, 98, 263上。 (5)以埃洛石纳米管为模板,在低温下制备了结晶二氧化钛-埃洛石纳米管复合材料。由于埃洛石纳米管能吸附二氧化钛前驱体,诱导二氧化钛在其表面原位生长,因而制备过程比较简单。二氧化钛的晶型可简单地通过调节溶液pH值进行控制,得到锐钛矿或锐钛矿/金红石混合晶型,避免了传统高温烧结对材料纳米结构的破坏。所得纳米管异质复合材料具有很高的比表面积和吸附能力,能够通过电子在两种组分间的转移实现电子-空穴分离的稳定化,因而比商品二氧化钛纳米粉末具有更高的催化活性。相关研究成果发表在Journal of Materials Chemistry A, 2013, 1(27), 8045上。 (6)利用溶剂热法制备了碲化铅/碲化锡量子点晶体热电材料,采用的反应温度为100~150 oC,相对于传统的熔融反应法温度大大降低,从而使设备要求简化,工艺更简单。相对于目前较为常用的热注射法,溶剂热法适于大量生产碲化铅基量子点热电材料,得到的量子点粒径为5~10纳米,粒径分布窄。量子限域效应和硒、锡等元素的掺杂,有利于提高产品的电导率,提高声子散射,降低热导率,从而提高材料的热电转换效率。此外,用超强还原剂将碲化铅基量子点表面的有机配体完全去除,进一步增加了材料的电导率,避免了材料加工成型过程中残留有机配体碳化引起的样品开裂问题,为制备高密度、高机械性能的热电材料提供了理论依据。相关文章发表在Chinese Chemical Letters, 2014, 25, 849上。 (7)采用无模板水热合成法,以乙醇和去离子水为混合溶剂,氧化石墨烯、三水合锡酸钾或三水合锡酸钠、尿素为原料,在恒定温度下于反应釜中进行反应,一步制备了二氧化锡中空纳米颗粒/氧化石墨烯复合材料。经还原、洗涤得到石墨烯基空心二氧化锡复合材料。该材料的空心结构可为充放电过程中的体积变化提供缓冲空间,增加离子的存储空间和反应位点,并缩短离子的扩散距离。同时,石墨烯的高机械强度可进一步缓冲充放电过程中的体积变化,其高导电性可为离子和电子传输提供有效通道,从而显著提高电极材料的比容量和循环稳定性。在160 mAg-1的电流密度下,该材料的初次放电容量和充电容量分别为1805 mAhg-1和910 mAhg-1,在相同的测试条件下循环60次后,材料的放电容量和充电容量仍分别高达652 mAhg-1和646 mAhg-1,库伦效率高达99.1%,说明石墨烯基空心二氧化锡复合材料具有很高的循环稳定性。该工作的技术部分已申请发明专利(申请号201510026978.X),相关文章正在整理中。 (8)以聚乙烯吡咯烷酮、酚醛树脂、二氧化锡溶胶为原料,通过静电纺丝制备了聚合物/二氧化锡纳米纤维。在惰性气体保护下进行高温碳化,得到多孔碳/锡纳米线复合材料。所得材料具有较高的比表面积和孔隙率,其中金属锡均匀地分散在多孔碳纤维基体中,碳与锡的比例可通过原料的配比进行控制。由于多孔结构的存在以及碳的支撑和缓冲作用,材料在充放电循环100次后,可逆容量仍高达589 mAhg-1,电化学性能和循环寿命方面显著提高。相关文章已投稿RSC Advances。
本项目围绕纳米结构无机氧化物/碳复合电极材料的制备和性质展开研究。按照项目计划,以致孔剂、酚醛树脂、无机物前驱体为原料,通过自组装技术、纳米铸造技术和静电纺丝技术,制备了一系列孔隙率高、导电性好的介孔碳/无机物复合材料。纳米结构无机物和多孔碳的协同作用使复合材料的稳定性显著提高。选择适当的无机物前驱体,合理控制复合材料的组成、配比以及孔结构,使介孔碳和无机物形成互穿网络结构,优化了材料的稳定性、导电性和离子传输效率,提高了材料的电化学性能和使用寿命。项目深入研究了介孔碳/无机物复合材料的组成、结构和电化学性能之间的关系,为解决目前电极材料成本高、稳定性差的问题提供了一种新思路,有望为新型绿色能源的应用奠定基础。 (1)以可溶性酚醛树脂低聚物和功能性无机组分(如二氧化硅、二氧化锡、二氧化钛等)前驱体为构筑单元,双亲性嵌段共聚物为致孔剂,通过自组装过程得到具有六方、立方结构的液晶相。经过热处理后,低聚物进一步聚合交联形成酚醛树脂网络结构,在惰性气体保护下高温处理制备了介孔碳/无机陶瓷复合材料。该方法制备的介孔碳/陶瓷复合材料具有良好的物质传输性能。同时,其连续的复合骨架可保证材料较好的化学稳定性和电子传输性能。选择适当的陶瓷材料,合理控制原料的配比和反应条件,可以构筑不同孔通道结构。通过X射线衍射、透射电镜、比表面积和孔隙率测试等表征手段对所得介孔碳复合材料的微观结构、表面形态进行了分析,提高了材料的比表面积和孔隙率,进一步优化了材料的导电性和抗腐蚀性能。对以往工作进行了总结,相关文章发表在Chinese Chemical Letters, 2013, 24(2), 89上。 (2)以二维六方结构的介孔酚醛树脂为微反应器,将熔融的SnCl2·2H2O充分渗透到酚醛树脂的纳米孔道中,在惰性气体保护下高温碳化后得到氧化锡纳米线阵列/碳复合材料。在惰性气体/空气的混合气氛下对复合材料中的碳进行部分烧蚀,控制惰性气体和空气的比例、烧蚀温度和时间等因素优化了氧化锡纳米线阵列和碳组分的比例。该方法实现了纳米线阵列和碳材料在酚醛树脂碳化过程中同时形成,简化了后续包覆碳的繁琐程序。由于纳米线间连续孔通道的存在及碳的支撑和缓冲作用,所制备的复合材料能够有效减缓二氧化锡充放电过程中的体积变化和结构破坏,有效降低了不可逆容量,使电极材料在提高电化学性能和循环寿命方面的性能得到了优化。材料的首次放电容量高达1627 mAhg-1,充电容量为672 mAhg-1,充放电循环60次后,可逆容量仍高达554 mAhg-1。技术部分已授权发明专利(专利号201310733497.3),相关文章发表在Electrochimica Acta, 2015, 158, 321上。 (3)以尺寸均一的磺化聚二乙烯基苯纳米管为模板,通过溶胶-凝胶过程制备了介孔二氧化锡纳米管电极材料。该方法的优势在于:(1)由于磺化聚二乙烯基苯纳米管表面带负电荷,因而带正电荷的二氧化锡前驱体很容易吸附到模板表面形成核-壳结构;(2)磺化聚二乙烯基苯纳米管模板易通过灼烧除去,而二氧化锡的纳米结构可以完整保留;(3)灼烧过程中聚合物分解产生的气体和压力可通过二氧化锡纳米管的介孔通道和开放的中空管道释放掉。所制备的介孔二氧化锡纳米管具有连通的中空和多孔结构,比表面积和孔隙率高,能够缩短离子扩散路径,缓解充放电过程中体积变化和粉末化引起的不可逆容量衰减,提高电池的使用寿命。材料的首次放电容量高达1846 mAhg-1,充电容量为637 mAhg-1,充放电循环50次后,可逆容量仍高达513 mAhg-1,库伦效率96%,而相同测试条件下的商品二氧化锡纳米颗粒可逆容量仅为286 mAhg-1,可见介孔二氧化锡纳米管电极材料在充放电容量、库仑效率、使用寿命等方面都有显著提高,这对于研制高稳定性电池电极具有重要意义。相关成果发表在Journal of Materials Chemistry A, 2013, 1(9), 2995上。 (4)以碳纳米纤维为模板,利用简单的溶液生长法在其表面制备了二氧化锡纳米晶,高温除去碳纳米纤维后得到介孔二氧化锡纳米管。所得纳米管的介孔结构为离子传输提供了有效通道,高比表面积提高了反应速率以及充放电速度。此外,中空管腔能够缓解充放电过程中体积变化引起的内应力,有利于材料结构和性能的稳定,而纳米管两端的开口又为管腔内外离子的传输提供额外的通道。以上结构优势使所制备介孔二氧化锡纳米管表现出优异的电化学性能,首次放电和充电容量分别高达2002 mAhg-1和726 mAhg-1,充放电循环50次后,可逆容量仍高达585 mAhg-1,相关文章发表在Electrochimica Acta, 2013, 98, 263上。 (5)以埃洛石纳米管为模板,在低温下制备了结晶二氧化钛-埃洛石纳米管复合材料。由于埃洛石纳米管能吸附二氧化钛前驱体,诱导二氧化钛在其表面原位生长,因而制备过程比较简单。二氧化钛的晶型可简单地通过调节溶液pH值进行控制,得到锐钛矿或锐钛矿/金红石混合晶型,避免了传统高温烧结对材料纳米结构的破坏。所得纳米管异质复合材料具有很高的比表面积和吸附能力,能够通过电子在两种组分间的转移实现电子-空穴分离的稳定化,因而比商品二氧化钛纳米粉末具有更高的催化活性。相关研究成果发表在Journal of Materials Chemistry A, 2013, 1(27), 8045上。 (6)利用溶剂热法制备了碲化铅/碲化锡量子点晶体热电材料,采用的反应温度为100~150 oC,相对于传统的熔融反应法温度大大降低,从而使设备要求简化,工艺更简单。相对于目前较为常用的热注射法,溶剂热法适于大量生产碲化铅基量子点热电材料,得到的量子点粒径为5~10纳米,粒径分布窄。量子限域效应和硒、锡等元素的掺杂,有利于提高产品的电导率,提高声子散射,降低热导率,从而提高材料的热电转换效率。此外,用超强还原剂将碲化铅基量子点表面的有机配体完全去除,进一步增加了材料的电导率,避免了材料加工成型过程中残留有机配体碳化引起的样品开裂问题,为制备高密度、高机械性能的热电材料提供了理论依据。相关文章发表在Chinese Chemical Letters, 2014, 25, 849上。 (7)采用无模板水热合成法,以乙醇和去离子水为混合溶剂,氧化石墨烯、三水合锡酸钾或三水合锡酸钠、尿素为原料,在恒定温度下于反应釜中进行反应,一步制备了二氧化锡中空纳米颗粒/氧化石墨烯复合材料。经还原、洗涤得到石墨烯基空心二氧化锡复合材料。该材料的空心结构可为充放电过程中的体积变化提供缓冲空间,增加离子的存储空间和反应位点,并缩短离子的扩散距离。同时,石墨烯的高机械强度可进一步缓冲充放电过程中的体积变化,其高导电性可为离子和电子传输提供有效通道,从而显著提高电极材料的比容量和循环稳定性。在160 mAg-1的电流密度下,该材料的初次放电容量和充电容量分别为1805 mAhg-1和910 mAhg-1,在相同的测试条件下循环60次后,材料的放电容量和充电容量仍分别高达652 mAhg-1和646 mAhg-1,库伦效率高达99.1%,说明石墨烯基空心二氧化锡复合材料具有很高的循环稳定性。该工作的技术部分已申请发明专利(申请号201510026978.X),相关文章正在整理中。 (8)以聚乙烯吡咯烷酮、酚醛树脂、二氧化锡溶胶为原料,通过静电纺丝制备了聚合物/二氧化锡纳米纤维。在惰性气体保护下进行高温碳化,得到多孔碳/锡纳米线复合材料。所得材料具有较高的比表面积和孔隙率,其中金属锡均匀地分散在多孔碳纤维基体中,碳与锡的比例可通过原料的配比进行控制。由于多孔结构的存在以及碳的支撑和缓冲作用,材料在充放电循环100次后,可逆容量仍高达589 mAhg-1,电化学性能和循环寿命方面显著提高。相关文章已投稿RSC Advances。

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