纳米碳材料的可控制备机理与储锂性能研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 纳米碳材料的可控制备机理与储锂性能研究 摘 要 纳米碳作为一种高附加值含碳产品，在能源储存、转化设备、生物传感器、 电子纳米器件和水处理领域有很大的应用。但是目前制备碳纳米材料的方法都存 在着制备工艺复杂、污染严重、能耗高等问题，使得纳米碳材料的绿色大规模制 备变得困难。因此，开发一种绿色环保、工艺简单的合成纳米碳材料的方法显得 格外重要。针对上述的问题，本文以LiH 为原料，分别以二氧化碳（CO ）和金 2 属碳酸盐（Na CO ）为碳源，系统研究了LiH-CO 和LiH-Na CO 反应合成纳米 2 3 2 2 3 碳的机理及电化学性能。揭示了加热、球磨、加水三种触发方式及CO2 压力对纳 米碳的微结构及储锂性能的影响，研究了分级多孔纳米碳的造孔原理及电化学性 能。主要研究内容及结果如下： 1、第三章提出了一种高效、环保制备纳米碳材料的方法。该方法以CO2 为 碳源，通过加热、加水、球磨这三种触发方式，触发LiH 与CO2 快速发生反应合 成纳米碳，最快仅需13 s 。进一步研究发现，通过控制CO2 气体压力和合成方式， 可以制备形貌可控的纳米碳材料。CO2 气体压力越大，LiH-CO2 反应的越剧烈， 纳米碳的多孔结构随着气体压力的增大逐渐减少。机理研究表明，纳米碳的多孔 结构主要是由反应生成的 H2 鼓吹造成，孔洞的大小与 H2 鼓吹的速率有很大关 系，而H2 的鼓吹速率主要受反应的剧烈程度影响。因此，通过控制反应的气体 压力和合成方式就可以调控产物的微结构。 2 、在第三章研究基础上，进一步分析影响纳米碳材料合成的主要影响因素 及其储锂性能。研究发现 LiH 原材料的品牌和颗粒尺寸对反应过程和纳米碳的 微结构影响很大，实验结果表明相比较Aladdin 牌LiH，Alfa 牌LiH 的反应活性 更强，反应触发温度更低，多孔结构更多。通过机械球磨，LiH 的粒径变小，LiH- CO2 反应得更加剧烈，合成纳米碳的多孔结构更少。机理研究表明，LiH 的品牌 和粒径对反应活性和产物（C ）的微结构和形貌有很大影响，而纳米碳的多孔结 构主要由H2 鼓吹造成。通过改变LiH 的品牌和粒径，可以合成形貌和微结构不 同的碳纳米材料。电化学测试结果显示，LiH （Aladdin ）和LiH （Alfa ）通过加 热触发反应生成的纳米碳，在0.2 A g-1 的电流密度下，容量分别是710 和670 mA h g-1，2 A g-1 下容量分别达到了380 和278 mA h g-1，展现出了较高的容量和倍 率性能。 VI 纳米碳材料的可控制备机理与储锂性能研究 3、第五章以金属碳酸盐（Na CO ）为碳源，通过与LiH 高温反应制备出同 2 3 时具有微孔、介孔和大孔的分级多孔纳米碳，系统揭示了其反应机理、造孔原理 和产物类型。研究结果显示，反应生成的分级多孔纳米碳展现出互通的分级多孔 结构和超高的比表面积。机理研究表明，由于LiH-Na CO 反应温和，H 可以缓 2 3 2 慢的鼓吹，生成了丰富的多孔结构。丰富的孔洞结构不仅能减小电子和离子传输 距离，还能为锂离子提供大量存储位点；超大的比表面积能提高反应界面面积， 也能吸附大量锂离子。因此，分级多孔纳米结构展现出优异的电化学性能。1 A g-1 的电流密度下，100 圈后纳米碳材料的容量稳定在672