溶胶凝胶法调控制备多孔新能源材料及其性能研究

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多孔材料因其具有低相对密度、高孔隙率和高比表面积等特点，被广泛应用于吸附、过滤、消音、隔热、储能和催化等领域。多孔材料的制备方法很大程度上决定了其孔结构、比表面积、力学性能等特性，从而决定了多孔材料的综合性能。在众多制备多孔材料的方法中，溶胶凝胶法具有低温可控、易获得所需的均相多组分体系等优点而被广泛应用。从新能源材料的结构调控和性能提升要求来看，现有的制备多孔材料的溶胶凝胶工艺存在若干亟待解决的问题。第一，与溶胶凝胶过程中可通过缩聚反应形成三维连续凝胶网络结构制备的氧化硅体系完全不同，近些年备受关注的可用于能源器件的多孔氧化锆与多孔氧化镍等材料体系，大都采用环氧化合物为促凝剂形成凝胶网络结构的途径实现多孔结构的制备；但环氧化合物存在有毒、易燃、易爆等缺点，需要开发新的绿色合成工艺。第二，现有溶胶凝胶法制备多孔炭材料的工艺复杂，大多需活化工艺获得微孔孔道结构及大比表面积，一维炭纳米纤维多孔结构的溶胶凝胶制备工艺尚未见报道，有必要开展无需活化工艺就能够制备一维炭纳米纤维的溶胶凝胶制备工艺研究。第三，如何通过溶胶凝胶制备工艺研究，调控多孔高分子压电材料（如聚偏氟乙烯等）的孔结构，降低目前偏高的弹性模量，并使之与生物体力学性能匹配的研究未有文献报道。
　　本研究主要内容包括：⑴提出了以柠檬酸为促凝剂的调控制备金属氧化物气凝胶的溶胶凝胶新方法。以制备氧化锆气凝胶为例，研究了采用柠檬酸作为促凝剂形成湿凝胶的凝胶新机理。该方法克服了传统溶胶凝胶法制备金属氧化物气凝胶的工艺中存在的促凝剂有毒的缺点，所制备的氧化锆气凝胶具有良好的热稳定性。在此基础上，基于柠檬酸辅助溶胶凝胶法的凝胶机理制备了氧化镍气凝胶；测试结果表明经过250℃热处理的氧化镍气凝胶具有高比电容（比电容量可达914 F·g-1），高倍率的特性。⑵以agaorse为原料，ZnAc为催化剂，通过溶胶凝胶法调控制备了炭纳米纤维多孔材料。微观结构表征结果显示用此方法制备的多孔炭纳米纤维的直径约为15-20 nm；拉曼光谱(Raman)测试结果表明制得的炭纳米纤维具有较高的石墨化程度；电化学测试结果表明结构优化的炭纳米纤维的比电容量最高可达157 F·g-1，且具有良好的稳定性（10 A·g-1的条件下经过2000次循环后比容量保持率为95％）。⑶用溶胶凝胶法结合相分离原理调控制备了具有不同孔结构的含有β相的聚偏氟乙烯(PVDF)多孔材料。通过在多孔 PVDF中引入聚二甲基硅氧烷（PDMS），制备了PVDF-PDMS透明柔性复合材料，并通过控制溶胶中的PVDF的含量，得到了拉伸模量接近人体血管拉伸模量的PVDF-PDMS复合材料。采用PVDF含量为4%的复合材料制备的压电能量转换器件具有最大的输出电压(2.87 V)，在模拟心跳时血管的压力变化的情况下器件的最大正负电压峰值差为0.35 V。结果表明此器件可以嵌入生物器官中收集生物机械能，在生物电子自供能方面有很好的应用前景。

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作者
张志毅;
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作者单位

浙江大学;

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授予单位浙江大学;
学科材料学
授予学位博士
导师姓名洪樟连,支明佳;
年度 2016
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类功能材料;特种结构材料;材料结构及物理性质;
关键词
多孔材料; 溶胶凝胶法; 碳纤维凝胶; 网络结构; 电化学性能;

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