石墨纳米笼用于锂硫电池电极的研究(2)

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2.5 实验步骤 15

2.5.1 碳纳米笼材料的制备 15

2.5.2 酸洗和抽滤过程 15

2.5.3 真空热处理 15

2.5.4 碳/硫复合材料制备 15

2.5.5 组装锂硫纽扣电池 15

2.6 电化学性能测试 16

3 结果与讨论 17

3.1 碳包铁纳米颗粒的分析 17

3.1.1 碳包铁纳米颗粒TEM形貌分析 17

3.1.2 碳包铁纳米颗粒XRD分析 17

3.2 空心石墨纳米颗粒的分析 18

3.2.1 空心石墨纳米颗粒TEM形貌分析 18

3.2.2 空心石墨纳米颗粒XRD分析 19

3.3 锂硫电池电化学分析 19

3.3.1 循环伏安曲线分析 20

3.3.2 循环充放电性能曲线分析 21

4 结论 23

致谢 24

参考文献 25

1 前言

1.1 碳纳米材料的研究背景

碳纳米微粒拥有较大的比表面积和表面原子数，而其表面能和表面张力则随微粒直径的下降增加迅快，因而具有小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应以及宏观量子隧道效应等特征，相比于普通的离子，它的电、磁、光、热等特性以及表面稳定性有很大区别，这让它的备受人们关注，是一种很有潜力的新型材料。就像现代炼钢术能通过调节含碳量控制钢的显微组织，来获得不同性质的钢材料，接下来介绍一下碳基材料（就是碳质作连续相，金属作分散相）[1]。

美国Rouff研究小组在1993年合成碳包覆La纳米材料，推动了碳包覆金属纳米材料(Carbon encapsulated metal nanomaterials，M@C)等与之相关的科学的快速发展，本文要介绍的碳纳米笼材料(Carbon nanocages，CNC)就是，它是指把金属从碳包覆金属纳米材料中除掉后所得的材料[2]。科学家波顿采用碳基离子交换树脂进行金属元素酸性水溶液离子交换，然后这树脂实行控制热解，获取了具有高分散度的终碳催化材料[3]。而Cavaliver等采用了拥有非常高离子交换能力的一种腐植材料取代波顿的离子交换树脂进行，在改善工艺的同时分散度也得到了进步[4]。山本修等人采用了金属粉末和碳纤维材料1450℃环境下发生固相反应，发现金属的碳化物是由沥青这个中间相作前驱体制得的碳纤维材料通过反应得到的，若以PAN作前驱体制得的碳纤维材料就没有拥有可反应性[5]。

1.2 碳纳米材料的分类

碳元素在自然界中分布非常广泛，是形成各种有机物质的必要组分元素，它以化合物的形式存在，当然在自然界中还存在着大量碳单质。核外L层的原子轨道经过杂化成键，其成键方式的不同决定了碳分子的空间结构以及性质。较早发现的有金刚石和石墨，根据spn(n∈[1,3])杂化成键方式，当碳原子以sp3方式杂化时，4个σ键形成一个三维的四面体结构，即是金刚石；而以sp2方式杂化所形成的是二维的平面结构，即是石墨。1969年，科学家通过石墨的升华得到了碳以sp杂化方式形成的晶体，碳原子则是以2个σ键形成一维的链状结构，这种分子晶体被称为卡宾。美国人罗伯特•柯尔、理查德•斯莫利和英国人哈罗德•沃特尔•克罗托在1985年发现了C60家族，后来称之为富勒烯[6]。日本的饭岛澄男在1991年又发现了碳纳米管。这一些些新型的碳物质的不断发现引起了现代科学界对碳纳米材料研究的热潮[7]。如图1.1所示是几种重要类型碳的同素异形体结构的示意图。