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作为储能器件的超级电容器研究和废水吸附处理对于绿色可持续发展有着重要的意义,这两者都对材料的比表面积和孔隙分布有着较高的要求。由有机前驱体得到的活性炭材料具有大的比表面积,但孔隙结构较为单一,且需经过碳化和活化的制备工艺,较为繁琐。而石墨烯的边缘活性强,作为吸附位点能有效增加材料的吸附性能,但石墨烯材料分散性不好,导致边缘结构缺失且比表面积远低于理论值。针对上述存在的问题,本课题探索了一种在碳化过程中对有机前驱体材料进行表面石墨烯化处理工艺,获得表面具有垂直石墨烯结构、比表面积大且孔径分布广的碳材料。表面石墨烯化工艺的探索包括前驱体的种类、碳化气氛、碳化温度和碳化时间等。对比在氨气中刻蚀碳化椰子壳、三聚氰胺泡沫和聚丙烯腈(PAN)泡沫,发现PAN泡沫碳材料表面有较多的石墨烯微结构,且材料的比表面积最大。在氩气中碳化PAN泡沫,获得的碳材料则表面平整。在不同碳化温度(800-1200℃)和保温时间(30-240 min)下,随温度的升高和保温时间的延长,碳材料的表面垂直石墨烯结构先增多后减少。1100℃,120 min的碳化参数下,表面上垂直定向石墨烯片较多,但继续提高温度或者延长保温时间则对材料过度刻蚀,石墨烯结构被破坏。该参数下获得的表面石墨烯化PAN泡沫碳材料的比表面积为1944.7 m~2/g,孔容为1.3 cm3/g,在0.6、1.7和3.5 nm左右有较宽的孔径分布。以PAN泡沫碳材料作为电极材料,研究材料表面石墨烯结构和孔径分布对双电层电容性能的影响。在6 mol/L氢氧化钾(KOH)电解液、有机电解液四氟硼酸四乙基铵(TEABF4)、离子液体1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸(EMIMBF4)和三甲基丙基铵双三氟甲磺酰亚铵盐(TMPTFSI)中,随着电解液离子半径增大,材料与电解液之间的转移电阻增大,比电容差异较大。1100℃,120 min处理的PAN泡沫碳材料在TMPTFSI中,电压窗口可达4.0 V,比电容为123.5 F/g,能量密度68.6 Wh/kg,优于大部分碳基超级电容器的性能。以该参数获得的表面石墨烯化PAN泡沫碳材料为吸附剂,对机械真空泵油和正己烷等油和有机溶剂吸附能力可达自身重量6-8倍,对亚甲基蓝染料最大吸附量为961.3 mg/g,对Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的最大吸附量为578.1、319.5和127.9 mg/g。