多孔纳米材料讲解.ppt

多孔材料及其应用 报告人：雷拓 一、多孔材料定义、性质及应用 二、多孔炭的制备 三、超级电容器性质及原理 四、有序介孔炭在离子液体中电容特性研究 提纲 多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔 洞构成网络结构的材料，孔洞的边界或表 面由支柱或平板构成。 定义 由于该材料最初采用发泡法制备，曾称之为 发泡材料，以后发展了渗流等制备法，称之为 通气性材料，更合适的名称应为多孔 泡沫材 料，简称多孔材料或泡沫材料。 多孔材料在自然界中普遍存在如木材、软木、 海绵和珊瑚等。千百年来，这些天然的多孔材 料被人们广泛利用。 现代技术的发展使得金属、陶瓷、玻璃 等材料也能像聚合物那样发泡。这些新型 泡沫材料正逐渐地被用作绝缘、缓冲、吸 收冲击能量的材料，从而发挥了其由多孔 结构决定的独特的综合性能。 相对连续介质材料而言 , 多孔材料一般具有相对 密度低、比强度高、比表面积高、重量轻、隔音、 隔热、渗透性好等优点。 ? 机械性能的改变 ( 航空航天、汽车 ) ? 对机械波及机械振动的传播性能的改变（隔音） ? 对光电性能改变（新型光电子元件） ? 选择渗透性（特殊过滤装置） ? 选择吸附性（高效气体或液体分离膜） 应用 一、多孔材料定义、性质及应用 二、多孔炭的制备 三、超级电容器性质及原理 四、有序介孔炭在离子液体中电容特性研究 提纲 ? 活化法（物理，化学） ? 催化活化法 ? 聚合物混合炭化法 ? 有机凝胶炭化法（超临界 CO2 ） ? 模板法（硬模板，软模板） 多孔炭制备 一、多孔材料定义、性质及应用 二、多孔炭的制备 三、超级电容器性质及原理 四、有序介孔炭在离子液体中电容特性研究 提纲 超级电容器以及电极材料分类 双电层电容器（ EDLC ） 法拉第准电容器 混合类型电容器 ? 碳素材料：成功商业化，性价比高。 ? 金属氧化物材料： RuO 2 为主，导电性好，比容 量大，循环寿命长，价格高，污染。 ? 导电聚合物材料：工作电压高但电阻大 。 ? 杂多酸：具有固体电解质的优点，使用方便。 能量存储装置比较 元器件 比能量 Wh/kg 比功率 W/kg 充放电次数 普通电容器 0.2 10 4 ~10 6 10 6 超级电容器 0.2~20.0 10 2 ~10 4 10 5 充电电池 20~200 500 10 4 超级电容器应用背景 优良的脉冲充放性能 大容量储能性能 ? 比能量大于 2.5Wh/kg ? 比功率大于 500W/kg 循环寿命长（ 10 5 次） 环境适应性强 无记忆效应 免维护 对环境无污染 高功率军事装备的激发器 军用坦克、卡车瞬间启动 数据记忆存储系统 系统主板备用电源 电动玩具车主电源 太阳能电池辅助电池 通讯设施、计算机备用电源 电动汽车电源 碳基超级电容器 (EDLC) 原理 2 5 . 0 CV E ? V t I C ? ? ? ? 一、多孔材料定义、性质及应用 二、多孔炭的制备 三、超级电容器性质及原理 四、有序介孔炭在离子液体中电容特性研究 提纲 本实验选用的两种离子液体 32 28 13.6 8.4 蒸汽压接近零，没有气味，消除 VOCs 良好的热稳定性和化学稳定性，可操作温度范围宽（ -40 ～ 300 ℃） ；在高温下使用，可与燃料电池的使用温度 耦合 宽的电化学稳定电位窗口 阴、阳离子没有溶剂化层 离子液体电解质 ? 粘度大，比传统的有机电解液高 1~3 个数量级 优点 : 缺点 : d A C o r ? ? ? 2 CV 2 1 E ? 硬模板法制备有序介孔碳 炭化 HF SBA-15 碳源 /SBA-15 C /SBA-15 OMC 碳源蔗糖 硫酸 H I Lee, et al. Adv. Mater. , 2008, 20, 757-762. 有序介孔碳孔径的调变 周期性孔结构变化 OMC BC5 BC25 比表面积和孔分布 碳表面氧原子含量（ XPS ） 0 10 20 30 40 50 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 O x y g e n c o n