摘 要

有序介孔碳是一类孔径分布很窄的、孔径介于2～50 nm之间的、孔道排列规整且长程有序的多孔碳材料，它具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积和孔容、规则排列的孔结构、良好的热稳定性、化学稳定性和优良的吸附性能，是锂硫电池理想的正极材料。

为了寻找进一步提高介孔碳的有序性，改善其电化学性能的合成方法，本文以3-氨基苯酚、六次甲基四胺和嵌段共聚物F127为前驱体，以精氨酸为催化剂，采用有机-有机自组装法合成氮掺杂有序介孔碳材料，并通过氨气活化法对材料的孔结构和氮含量进行调控，以此获得高比表面积、大孔容和高氮含量的介孔碳材料。实验的创新型在于使用氨基酸作为催化剂，其优点在于：氨基酸作催化剂的催化性能好且用量少，可得到高度有序介观结构；减少其他无机催化剂的使用，并避免将不纯物杂质（如Na 、Cl⁻等）引入产物，同时减少环境污染；再次，氨基酸能通过氢键与前驱体和模板剂有很好的相互作用，从而实现介孔碳材料的氮掺杂。

关键词：有序介孔碳 氨基酸 氮掺杂 有机-有机自组装 锂硫电池

Abstract

The ordered mesoporous carbon is a kind of porous carbon material with narrow pore size distribution and a pore size ranging between 2 ~ 50 nm, and the porous carbon materials with regular pore arrangement and long-range order. It has developed pore structure and huge specific surface area and pore volume, pore structure of regularly arranged, good thermal stability, chemical stability and excellent absorption properties, which is ideal for a lithium-sulfur battery cathode material.

In order to improve the order of mesoporous carbon and improve the electrochemical properties of the synthesis method. In this paper, 3-amino-phenol, hexamethylenetetramine and a block copolymer F127 as the precursor, arginine as a catalyst, through the organic organic self-assembly method to synthesize mesoporous carbon materials. The innovation of this experiment will amino acids as the catalyst,the advantages of amino acids as catalysts:good catalytic performance, less dosage and it can be highly ordered mesoscopic structure; reduce the use of other inorganic catalyst, and to avoid the impurity impurity (such as Na , Cl ^-, etc.) into the product, and reduce the pollution of the environment; the amino acids can interact with the precursor and the template, so that the mesoporous carbon materials can be doped with nitrogen. Research results show that by using amino acid as catalyst can be successful synthesis of highly ordered mesoporous carbon structureand and nitrogen doped.

Key Words: Ordered mesoporous carbons Amino acids Nitrogen doped Organic organic self-assembly Lithium-sulfur batte

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 有序介孔碳材料 2

1.2.1介孔碳材料简介 2

1.2.2有序介孔碳材料的形成机理 2

1.2.3有序介孔碳材料的合成 3

1.3 锂硫电池 6

1.3.1锂硫电池的充放电机理 6

1.3.2锂硫电池存在的问题 7

1.3.3锂硫电池的发展方向 8

1.4课题研究内容以及预期目标 8

第2章 实验 9

2.1药品试剂 9

2.2 材料的合成与活化 9

2.3 材料表征 9

2.4 电池的制备与电化学测试 10

2.5 结果与讨论 11

2.5.1结构表征 11

2.5.2骨架化学组成 15

2.5.3电化学性能 16

2.6 结论 17

参考文献 18

致 谢 21

第1章 绪论

1.1引言

随着人类社会的进步与发展，人们对能源的需求和依赖日益增加，传统化石能源的日渐枯竭以及其对于环境的污染使得其已难以符合和满足人类的发展需求，而可持续再生、环境友好成为能源发展的重要方向。而随着水能、风能、太阳能、潮汐能等新能源的大力发展，高效的储能系统便变得至关重要。在众多储能系统中，电化学储能尤为重要，有着不可替代的作用。电化学储能元件可以很好地解决新能源的储存和输出的问题，具有便捷、安全、高效、成本低的优点。锂硫电池便是电化学储能系统中的典型代表之一。

锂硫电池是现有或研发中的有着高能量密度的二次电池体系，它采用单质硫或含硫材料与导电剂、粘结剂等构成的复合材料作为正极材料，其理论能量密度达到2600 Wh kg^-1，且单质硫正极的理论比容量达到1672 mAh g^-1，具有无毒无害，储量多，产量大和价格低廉等优势，在近年来高能量密度二次电池领域中成为研究热点和重点之一^{[1, 2]}。不同于锂离子电池利用锂离子在正负极材料间的嵌入和脱出为反应机理的这种单电子储能原理，锂硫电池在充放电过程中则是涉及到硫硫键断裂与形成的多电子参与的多步电化学反应，这是一个包含了一系列均相化学反应和电荷转移反应的复杂过程^[3]。但单质硫的电导率在室温下极低（5.0×10^-30 S cm^-1），并且锂硫电池放电过程的中间产物多硫化物会在有机电解液中溶解发生迁移和穿梭效应，其放电终产物电子绝缘且不溶于电解液，以及硫和硫化锂因为密度差异较大产生的体积效应（前后体积变化约80%）等^{[2, 4]}，都会使得锂硫电池的活性物质利用率和循环性能以及正极结构的稳定性等受到很大的影响，进而在很大程度上限制了其在相关领域里的进一步发展与应用。因此，具有大的比表面积、适中的孔径、高度有序的孔道结构、良好的热稳定性、化学稳定性以及优良的电导性等优点的介孔碳成为锂硫电池的理想电极材料。

十多年来，有序介孔碳的新合成方法不断被报道，新型碳源不断地涌现，新的应用领域不断被开拓。目前，有序介孔碳材料的合成已经成为一个非常热门的研究领域，其主要发展趋势有两点：第一，拓展有序介孔碳材料的应用领域。对已有的有序介孔碳材料的多孔性或导电性进行实用性研发，或者根据实际应用的要求设计并且合成具有特定组成或者结构的有序介孔碳材料；第二，探索新的碳源、合成方法。

1.2 有序介孔碳材料

1.2.1介孔碳材料简介

碳材料有着大的比表面积、优异的导电性和导热性、丰富的孔结构、制备工艺简单以及价格低廉等优点。近年来，研究最多的是以导电碳材料作为硫的载体以及导电骨架的硫碳复合正极材料，通过一定的方法来调节控制碳材料的相关结构参数来得到具有不同构造的复合材料以改善锂硫电池的相关性能^[5]。相较于其它碳材料，介孔碳有着更为发达的孔隙结构、更为巨大的比表面积和孔容以及更加规则的孔结构^[6]，使得它成为最佳的电池正极材料。相较于其他材料，介孔碳材料的介孔可以大大提升对硫的负载量,从而更好地发挥锂硫电池高能量密度的优势,而且由于介孔相比于大孔而言孔径更小,因此能更好地对多硫化物进行限域^[2]。将硫储存到到介孔碳材料有序的介孔阵列中时，孔道内部提供了大量的电解液和多硫化物储存位点,既能够满足锂离子快速传递的要求,也限制了多硫化物的向外溶解,其本身性质也使得碳硫复合物有着更佳的高倍率性能和循环稳定性,而通过高分子包覆介孔碳颗粒可以形成多硫化物的扩散梯度,从而控制多硫化物从多孔碳孔道向电解液体相的扩散,进一步提高了硫的利用率和稳定性^[7]。

1.2.2有序介孔碳材料的形成机理

在纳米尺度下有序地“造孔”是合成介孔材料的关键。其关键是选取合适的模板剂，使碳前驱体与模板剂通过某种推动力在介观尺度下相互作用形成有序的复合结构。之后将碳前躯体通过一定的化学方法转化为三维交联的刚性骨架，而模板剂则通过一定方法去除，最终得到有着单一规整的孔结构的介孔碳材料。