回收聚酰亚胺制备多孔碳及其电化学储能研究

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多孔碳材料具有比表面积高、孔结构可控、导电性高、工艺简单和制备成本低等优势,使其广泛应用于阻燃、吸附分离、催化、电磁波吸收、能源存储等领域。芳香族聚酰亚胺作为一种特殊的聚合物,具有优异的物理和化学性能,因此其在航空航天、高性能涂料、柔性电子器件、微电子工业等领域有着广泛的应用。然而,由于完全亚胺化的聚酰亚胺固有的不溶性和不熔性,无法实现有效回收,造成了严重的环境污染。本文通过碳化聚酰亚胺制备具有高附加价值的多孔碳材料实现有效回收,并深入研究了其电化学性能。(1)以聚酰亚胺(PI)为碳源,N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂,磷酸三聚氰胺和草酸钾作为活化剂,采用一锅法制备了具有多级孔结构的碳材料,并研究了不同活化剂及其比例对多孔碳材料的比表面积、孔结构以及电化学性能的影响。结果表明,DMF的使用可以显著改变多孔碳的形貌,磷酸三聚氰胺和草酸钾的协同作用可以促进其多孔结构的形成(比表面积:2080 m~2/g),其中占比较高的微孔(比表面积和体积分别为1828m~2/g和0.7493 cm~3/g)可为离子的吸附提供更多的吸附位点;同时,N、P元素的掺杂提高了多孔碳材料与电解液界面间的润湿性,使得该多孔碳电极材料在电化学储能方面具有较高性能。多孔碳电极在0.5 A/g电流密度下质量比电容最高可达317 F/g,能量密度为15.6 Wh/kg,即使在10 A/g电流密度下充、放电循环10000次其容量保持率依然可达到92.3%,表现出良好的循环稳定性。(2)将PI、草酸钾、磷酸三聚氰胺按1:4:1的比例混合并在DMF中溶解,调控氧化石墨烯(GO)的加入量制备具有多级孔结构的碳材料,并深入研究了PI与GO的比例对多孔碳材料的比表面积、孔结构以及电化学性能的影响。结果表明,GO的加入不仅显著提高了碳材料介孔比例(微孔比表面积可达到1773 m~2/g;介孔和大孔的比表面积为699.5 m~2/g),同时也提高了该多孔碳材料的比表面积(2472 m~2/g)。此外,GO的加入还提高了碳材料中氧元素的含量,同时也提高了多孔碳材料与电解液界面间的浸润性并参与氧化还原反应提高了其赝电容。改性后的碳材料在0.5 A/g电流密度下质量比电容最高可达406 F/g,能量密度为20.22 Wh/kg,在5 A/g电流密度下充、放电循环10000次其容量保持率为94.3%,亦表现出良好的循环稳定性。
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