资源再生制备碳基复合材料及其性能研究(附件)【字数：13455】
现如今，能源危机已愈演愈烈，开发新能源材料及材料的循环利用已越来越重要。目前，众多研究者都将目光投向了锂离子电池和超级电容器。经过多年的研究，许多材料都表现出了优异的性能，而 Fe3O4 @ C 复合材料作为其中的佼佼者，以其良好的结构稳定性、循环稳定性和倍率性能更是引起了广泛的关注。本论文尝试利用废弃塑料制品作为碳源制备Fe3O4@C复合材料，实现资源可再生利用，同时缓解大量废弃塑料制品处理困难的现状。本论文利用高温催化裂解技术，将二茂铁和多种高分子聚合物不同比例混合，分别在 500 ℃、600 ℃、700 ℃下高温煅烧，得到多种碳基复合材料，对得到的产物的组成、结构进行了表征并测试其电化学性能。最终得出结论如下在不锈钢反应釜中，采用高温催化裂解技术， 采用聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯等塑料为碳源，以二茂铁为催化剂，制备出了不同形貌和结构的碳基复合材料。 表征结果表明，以聚对苯二甲酸乙二醇酯为碳源，制备得到的产物为Fe3O4@C复合材料，其形貌为一维蠕虫状，其形貌产率高达90％以上，一维结构的长度为几微米到几十微米，直径约为800 纳米，其中碳壳中Fe3O4纳米颗粒的直径为80-200纳米，碳壳的厚度约为300纳米。 将上述制备得到的Fe3O4@C复合材料作为电极材料，测试了其电化学性能。作为锂离子电池负极材料，0.5 A/g电流密度下，第一圈充放电循环中达到最大放电容量，为991.4 mAh/g，第二圈放电容量为646.3 mAh/g，经过50圈充放电循环后，其可逆容量为577.2 mAh/g，样品容量保持率维持在58.2 %；作为超级电容器电极材料，在 0.5 A/g 的电流密度下，经过 500 圈循环后，其比电容仍达到 49.1 F/g。以上结果表明，此种Fe3O4@C复合材料作为电极材料表现出良好的循环稳定性。关键词催化裂解技术，Fe3O4@C复合材料，电化学性能，锂离子电池，超级电容器
目 录
第一章 绪论 1
1.1碳材料的应用及发展 1
1.2碳材料的种类及制备方法 1
1.2.1碳材料的种类 1
1.2.2碳材料的制备方法 3
1.2.3 总结 6
1.3碳复合金属氧化物 7
1.3.1碳复合金属氧化物种类 7
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
/> 1.3.2 碳复合金属氧化物电极材料在锂离子电池中的应用 9
1.4本论文研究的意义及内容 10
1.4.1研究意义 10
1.4.2研究目的 10
1.4.3研究内容 11
第二章 实验器材及步骤 12
2.1主要原材料及仪器设备 12
2.1.1实验药品 12
2.1.2实验仪器设备 13
2.2实验步骤 13
2.2.1初始材料的制备 13
2.2.2材料的表征 14
2.2.3电化学性能测试 14
第三章 表征及电化学性能 16
3.1 XRD图谱分析 16
3.2 产物的形貌分析 17
3.3 磁滞回线分析 20
3.4 Fe3O4@C复合材料电化学性能分析 21
3.4.1 产物的电化学性能 21
3.4.2 不同参数下产物的电化学性能比较 23
3.4.3总结 27
第四章 结论与展望 28
4.1结论 28
4.2展望 28
致谢 29
参考文献 30
第一章 绪论
1.1碳材料的应用及发展
碳在世界上的分布极为广泛，从空气到生活中随处可见的塑料制品，再到一切动植物的构成，都离不开碳元素，有了碳才有了生命。在人类的发展史上，一直伴随着对碳材料的发展应用的研究。从日常烧火用的木炭、中国古代书画所用的碳素墨汁，到后世铅笔所用的石墨笔芯、钢笔所用的墨水，再到现在用处越来越广泛的新型碳材料如金刚石、碳纤维、玻璃碳等等以及目前的新型纳米碳材料如富勒烯、碳纳米管、石墨烯等等，这些各种各样的碳材料都在人类文明的发展史上发挥着不可或缺的作用。
自上世纪八十年代以来，富勒烯、碳纳米管等碳材料相继被发现，富勒烯三位发现者更是共同分享了1996年的诺贝尔化学奖[1]，这极大地激励了人们对新型碳材料的研究热情。通过研究发现，这些材料都具有许多奇异的性能，如表面效应、宏观量子隧道效应、小尺寸效应、量子尺寸效应。而且这些新型碳材料在电学、力学、光学、磁学等方面具有优异的性能，从而受到材料化学、物理学等诸多学科领域的关注。
1.2碳材料的种类及制备方法
碳材料的优越性能吸引了大量科研工作者们付出极大地精力来研究它们，目前国际上的几个热点区域即为碳微球、碳纳米管和石墨烯等，它们的制备方法也是多种多样。
1.2.1碳材料的种类
1.碳微球
上世纪六七十年代，碳微球相继被发现和制备出来，由于其具有较高的表面积，良好的热稳定性，独特的电化学性能等特性，而被广泛的应用于催化剂载体、锂离子电池、润滑剂、药物输送等诸多领域。
传统理论认为，当沥青加热到350 ℃以上时，会发生热解、脱氢、环化缩聚等一系列反应，形成分子量较大，热稳定性较好的低聚化合物，并有序的堆积为两个聚集体。随着反应的进行，低聚物不断进一步反应，分子量变大，而分子厚度并没有太大变化，导致长径比不断增大，最终发生相变，成为有序的片状液晶体（如图11所示）。随着液晶体的浓度不断增加，系统为了形成相平衡，使其最终转化为表面积最小的球体，即为碳微球。
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图11 传统理论的中间相形成和发展过程
后来，相继又有很多理论来阐述中间相碳微球的形成机理，如“微域构筑”理论，“球形单位构筑”理论等。这些理论互有优劣，却又能相互映证，从而为提高碳微球的产率提供了有效的理论基础。
2.碳纳米管
1991年，碳纳米管[2]被日本科学家いいじま すみお（饭岛澄男）所发现。后者深入研究并获得了诸多成就，而前者则以其优越的物理和化学性能，吸引了广大科研工作者的目光.碳纳米管具有很高的强度和硬度，能以不同结构表现为导体，半导体或绝缘体，可作为锂离子二次电池的碳负极材料。
碳纳米管主要可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。多壁碳纳米管与单壁碳纳米管相比，管壁上通常布满小洞样的缺陷，单壁管直径大小的分布范围小，具有更高的均匀一致性，因此单壁碳纳米管比多壁碳纳米管更具有实用性。依照结构特征碳纳米管可以分为手性纳米管（chiral form）、扶手椅形纳米管（armchair form）、锯齿形纳米管（zigzag form）这三种类型。根据碳导电性质还可以将其分为金属型碳纳米管和半导体型碳纳米管。按照外形的均匀性和整体形态，可分为：直管型，碳纳米管束，Y型，蛇型等。按照是否含有管壁缺陷可以分为：完善碳纳米管和含缺陷碳纳米管。因碳纳米管具有与金刚石相近的硬度，却具有金刚石所没有的良好柔韧性。除此以外，它还具有极高的熔点，这些都使得碳纳米管的应用前景相当广泛。
目 录
第一章 绪论 1
1.1碳材料的应用及发展 1
1.2碳材料的种类及制备方法 1
1.2.1碳材料的种类 1
1.2.2碳材料的制备方法 3
1.2.3 总结 6
1.3碳复合金属氧化物 7
1.3.1碳复合金属氧化物种类 7
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
/> 1.3.2 碳复合金属氧化物电极材料在锂离子电池中的应用 9
1.4本论文研究的意义及内容 10
1.4.1研究意义 10
1.4.2研究目的 10
1.4.3研究内容 11
第二章 实验器材及步骤 12
2.1主要原材料及仪器设备 12
2.1.1实验药品 12
2.1.2实验仪器设备 13
2.2实验步骤 13
2.2.1初始材料的制备 13
2.2.2材料的表征 14
2.2.3电化学性能测试 14
第三章 表征及电化学性能 16
3.1 XRD图谱分析 16
3.2 产物的形貌分析 17
3.3 磁滞回线分析 20
3.4 Fe3O4@C复合材料电化学性能分析 21
3.4.1 产物的电化学性能 21
3.4.2 不同参数下产物的电化学性能比较 23
3.4.3总结 27
第四章 结论与展望 28
4.1结论 28
4.2展望 28
致谢 29
参考文献 30
第一章 绪论
1.1碳材料的应用及发展
碳在世界上的分布极为广泛，从空气到生活中随处可见的塑料制品，再到一切动植物的构成，都离不开碳元素，有了碳才有了生命。在人类的发展史上，一直伴随着对碳材料的发展应用的研究。从日常烧火用的木炭、中国古代书画所用的碳素墨汁，到后世铅笔所用的石墨笔芯、钢笔所用的墨水，再到现在用处越来越广泛的新型碳材料如金刚石、碳纤维、玻璃碳等等以及目前的新型纳米碳材料如富勒烯、碳纳米管、石墨烯等等，这些各种各样的碳材料都在人类文明的发展史上发挥着不可或缺的作用。
自上世纪八十年代以来，富勒烯、碳纳米管等碳材料相继被发现，富勒烯三位发现者更是共同分享了1996年的诺贝尔化学奖[1]，这极大地激励了人们对新型碳材料的研究热情。通过研究发现，这些材料都具有许多奇异的性能，如表面效应、宏观量子隧道效应、小尺寸效应、量子尺寸效应。而且这些新型碳材料在电学、力学、光学、磁学等方面具有优异的性能，从而受到材料化学、物理学等诸多学科领域的关注。
1.2碳材料的种类及制备方法
碳材料的优越性能吸引了大量科研工作者们付出极大地精力来研究它们，目前国际上的几个热点区域即为碳微球、碳纳米管和石墨烯等，它们的制备方法也是多种多样。
1.2.1碳材料的种类
1.碳微球
上世纪六七十年代，碳微球相继被发现和制备出来，由于其具有较高的表面积，良好的热稳定性，独特的电化学性能等特性，而被广泛的应用于催化剂载体、锂离子电池、润滑剂、药物输送等诸多领域。
传统理论认为，当沥青加热到350 ℃以上时，会发生热解、脱氢、环化缩聚等一系列反应，形成分子量较大，热稳定性较好的低聚化合物，并有序的堆积为两个聚集体。随着反应的进行，低聚物不断进一步反应，分子量变大，而分子厚度并没有太大变化，导致长径比不断增大，最终发生相变，成为有序的片状液晶体（如图11所示）。随着液晶体的浓度不断增加，系统为了形成相平衡，使其最终转化为表面积最小的球体，即为碳微球。
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图11 传统理论的中间相形成和发展过程
后来，相继又有很多理论来阐述中间相碳微球的形成机理，如“微域构筑”理论，“球形单位构筑”理论等。这些理论互有优劣，却又能相互映证，从而为提高碳微球的产率提供了有效的理论基础。
2.碳纳米管
1991年，碳纳米管[2]被日本科学家いいじま すみお（饭岛澄男）所发现。后者深入研究并获得了诸多成就，而前者则以其优越的物理和化学性能，吸引了广大科研工作者的目光.碳纳米管具有很高的强度和硬度，能以不同结构表现为导体，半导体或绝缘体，可作为锂离子二次电池的碳负极材料。
碳纳米管主要可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。多壁碳纳米管与单壁碳纳米管相比，管壁上通常布满小洞样的缺陷，单壁管直径大小的分布范围小，具有更高的均匀一致性，因此单壁碳纳米管比多壁碳纳米管更具有实用性。依照结构特征碳纳米管可以分为手性纳米管（chiral form）、扶手椅形纳米管（armchair form）、锯齿形纳米管（zigzag form）这三种类型。根据碳导电性质还可以将其分为金属型碳纳米管和半导体型碳纳米管。按照外形的均匀性和整体形态，可分为：直管型，碳纳米管束，Y型，蛇型等。按照是否含有管壁缺陷可以分为：完善碳纳米管和含缺陷碳纳米管。因碳纳米管具有与金刚石相近的硬度，却具有金刚石所没有的良好柔韧性。除此以外，它还具有极高的熔点，这些都使得碳纳米管的应用前景相当广泛。
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