蔡江濤，付世啟，張亞婷，劉國陽，邱介山，周安寧

（1.西安科技大學化學與化工學院，西安 710054；2.大連理工大學精細化工國家重點實驗室暨遼寧省能源材料化工重點實驗室，大連理工大學化工學院，遼寧大連 116024）

酚醛樹脂基高度有序介孔炭材料的合成及其電容性*

蔡江濤1，付世啟1，張亞婷1，劉國陽1，邱介山2，周安寧1

（1.西安科技大學化學與化工學院，西安 710054；2.大連理工大學精細化工國家重點實驗室暨遼寧省能源材料化工重點實驗室，大連理工大學化工學院，遼寧大連 116024）

以堿性條件下制備出的A階酚醛樹脂為炭前驅(qū)體，三元嵌段共聚物P123及F127為介孔模板劑，采用乙醇溶劑蒸發(fā)誘導自組裝與程序升溫策略，制備出高度有序、比表面積達550.12 m2/g、孔容為0.385 4 cm3/g、平均孔徑為3.97 nm的酚醛樹脂基有序介孔炭材料。利用小角X射線衍射、掃描電鏡、透射電鏡、物理吸附及電化學性能測試等技術，研究了不同合成條件下得到的有序介孔炭材料的結構和電化學性能。結果表明，在6 mol/L KOH電解質(zhì)溶液的三電極體系中，該優(yōu)化有序介孔炭材料在1 A/g的電流密度下比電容可達146.5 F/g。

有序介孔炭；酚醛樹脂；模板劑；比電容

有序介孔炭材料不僅具有規(guī)則有序的介孔孔道、大且可調(diào)的比表面積，而且化學穩(wěn)定性好、力學強度高、導電性優(yōu)良［1-5］，在儲能［6］、催化劑載體［7］和吸附分離［8］等技術領域有廣闊的應用前景。

目前，制備介孔炭的方法主要有兩大類：硬模板法［9-10］和軟模板法［11-14］。硬模板法是通過將碳源澆鑄填充到無機模板的孔隙中，炭化后再用酸或堿刻蝕除掉無機模板而得到具有反相結構的介孔炭。用硬模板法制備的介孔炭能很好地反相復制出介孔結構［15］，適合大電流充放電。但硬模板法也有其固有的明顯缺點：先制備后刻蝕去除硬模板劑而使得工序復雜、酸堿消耗多、存在周期長、成本高及污染大的缺點。而軟模板法采用表面活性劑為模板劑，碳源則在表面活性劑的導向作用下自組裝，在后續(xù)高溫碳化時，表面活性劑裂解氣化致孔，最后隨爐冷卻定型而直接生成有序介孔炭。與硬模板法相比，軟模板法省去了制備硬模板與后續(xù)刻蝕去除硬模板的工序，大大縮短了制備周期、減小了環(huán)境污染、降低了介孔炭材料的制備成本。

針對軟模板法制備的介孔炭孔壁較厚的問題，W. Xing等［16］采用后活化法在其孔壁上造孔，形成兼具微孔-介孔的多級孔道結構，并提高了比表面積，發(fā)現(xiàn)這一方法可以大大提高介孔炭的比電容。B. Juan等［17］提出以陽離子聚合電解質(zhì)作為軟模板制備間苯二酚甲醛基分級多孔炭，該方法大大簡化了復雜的干燥過程，避免了繁瑣的溶劑交換和長時間多次固化等問題，制備出比表面積達675 m2/g，比電容達140 F/g的介孔炭材料。

迄今為止，如何進一步優(yōu)化介孔炭材料的制備工藝條件及結構參數(shù)，進而進一步提升其電化學性能，依然是電容炭材料的研究難點和熱點。筆者研究以苯酚、甲醛單體為原料，在堿性條件下制備A階酚醛樹脂，進而以其為炭前驅(qū)體（碳源），三元嵌段共聚物P123及F127［氧化乙烯（EO）和氧化丙烯（PO）不同程度重復單元制備出的三元嵌段共聚物］為介孔模板劑，采用乙醇溶劑蒸發(fā)誘導自組裝與低速程序升溫策略，無需活化即可制備出大比表面積且高度有序的介孔炭；重點考察了P123和F127兩種模板劑的組合比例、用量及預聚程度等對介孔炭材料有序性的影響；研究了合成工藝參數(shù)與得到的介孔炭材料的電化學性能之間的內(nèi)在關系。

1 　實驗部分

1.1 主要原材料

苯酚：分析純，天津市福晨化學試劑廠；甲醛：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；NaOH：分析純，天津市河東區(qū)紅巖試劑廠；P123 （EO20PO70EO20，分子量5 800）和F127（EO106PO70EO106，分子量12 600）：德國Sigma-Aldrich公司；

無水乙醇：分析純，天津市天力化學試劑有限公司；

濃鹽酸：分析純，西安化學試劑廠；

氮氣：99.99% （O2≤0.01%），韋曲加氣站。

1.2 主要設備及儀器

集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：DF-101S型，鄭州匯成科工貿(mào)有限公司；

離心機：H-1850型，長沙湘儀離心機儀器有限公司；

旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：RE2000A型，上海亞榮生化儀器廠；

電熱鼓風干燥箱：DHG-9070型，金壇市金祥龍電子有限公司；

真空/氣氛管式電爐：SK-G06123K型，天津市中環(huán)實驗電爐有限公司；

粉末壓片機：YP-24T型，天津市金孚倫科技有限公司；

電化學工作站：CHI660E型，上海辰華科技有限公司；

X射線衍射（XRD）儀：D8 Advance X 型，美國Bruker 公司；

場發(fā)射掃描電鏡（FESEM）：S-4800型，日本日立公司；

高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）：Tecnai F20型，美國Philips 公司；

物理吸附儀：ASAP2020型，美國Micromeritics公司。

1.3 試樣制備

（1）介孔炭材料的制備。

A階酚醛樹脂的合成方法如下［18］：水浴升溫至41～43℃恒溫，在磁力攪拌下，將2.44 g苯酚溶解，加入20% NaOH溶液2.6 g，緩慢加入37%甲醛溶液4.2 g，升溫至70℃，恒溫反應一定時間后取出。冷卻至室溫，用鹽酸調(diào)節(jié)pH值至中性。經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)、高速離心分離出透明的淡黃色膠體狀A階酚醛樹脂。將A階酚醛樹脂分散到無水乙醇中，配制成20%的乙醇溶液，待用。

將一定量P123和F127溶于乙醇，配成20%的乙醇溶液，并與一定質(zhì)量A階酚醛樹脂進行混合，然后平鋪于玻璃板上；在真空干燥箱中，于60 ℃下進行溶劑蒸發(fā)誘導自組裝，之后在110℃下老化24 h；然后在氮氣保護下進行程序升溫炭化［19］，從室溫以1℃/min的升溫速率加熱到900℃，期間在450℃及900℃時分別保溫3 h及2 h。炭化后隨爐冷卻，所得產(chǎn)品即為介孔炭材料。

（2）工作電極的制備。

將介孔炭材料、乙炔黑、粘結劑聚四氟乙烯按質(zhì)量比8∶1∶1混合，加乙醇助分散并研磨，然后涂在泡沫鎳集流體上構筑工作電極，電極材料在鼓風干燥箱中干燥12 h后備用。在12 MPa下壓片，保壓5 min。每次涂覆的介孔炭材料約5 mg，準確稱量并以此計算比電容。

1.4 性能測試

介孔炭材料的介孔結構用XRD儀檢測，Cu靶，工作電壓為40 kV，電流為40 mA，掃描速度為0.5°/min，掃描范圍0.6～5°。

采用FESEM分析介孔炭材料的表面微觀形貌，測試時無需噴金。用HRTEM研究介孔炭材料的形貌和精細的介孔微觀結構，樣品首先在無水乙醇中超聲震蕩處理20 min，滴于銅網(wǎng)上，干燥后拍照。

用物理吸附儀測定介孔炭材料的N2吸附-脫附等溫線與孔徑分布曲線，進而計算其比表面積與孔結構，測試前樣品在真空條件下于300℃脫氣處理5 h，測試溫度77 K。

以6 mol/L KOH溶液為電解質(zhì)，采用三電極體系，以飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為對電極，介孔炭材料為工作電極，用電化學工作站測試介孔炭材料的電化學性能。

2 　結果與討論

2.1 P123與F127比例對介孔炭有序性的影響

經(jīng)典的有序介孔材料孔道是周期性排列的，用XRD技術可以獲得介孔結構的周期性信息。介孔陣列的周期常數(shù)處于納米數(shù)量級，其主要的衍射峰都出現(xiàn)在低角度范圍，這需要對介孔炭材料樣品做小角XRD測試，若XRD譜圖上衍射角在0.5～5°范圍內(nèi)出現(xiàn)一個強烈的（110）晶面衍射峰，表明該樣品具有有序的介孔結構，屬長程有序性排列［20］。

具有結構導向作用的模板劑，對于介孔結構的形成和結構與分布有至關重要的影響。筆者以P123和F127為表面活性劑，首先考察了介孔模板劑P123∶F127配比（0∶4，1∶3，2∶2，3∶1，4∶0）對介孔炭材料有序性的影響，所制備介孔炭材料的小角XRD結果如圖1所示。

圖1　 不同模板劑比例下得到的介孔炭材料的XRD譜圖

由圖1可見，不同的模板劑組合對所形成的介孔炭材料的有序性有顯著的影響。當P123∶F127=1∶3時，得到的介孔炭材料的衍射峰最尖銳，峰型較窄，有序性相對最好。其原因可能是這種比例的介孔模板劑中的親水基團氧化乙烯EO段，與酚醛樹脂預聚體中的酚羥基形成了最佳的氫鍵組裝比例。這意味著以P123∶F127=1∶3的混合物為模板劑，對碳源的組裝具有明顯的協(xié)同作用。

2.2 模板劑與前驅(qū)體比例對介孔炭有序性的影響

酚醛樹脂預聚時間3 h，固定介孔模板劑P123∶F127=1∶3，研究模板劑用量（分別為30%，40%，50%）對介孔炭的影響。所制備介孔炭材料的小角XRD結果如圖2所示。模板劑的用量對于組裝過程有著較大的影響：當與有一定聚合程度的酚醛樹脂溶膠混合之后，具有兩親結構的模板劑隨濃度不同，會形成不同結構的排列形式，該兩親分子束充當了模板的作用，酚醛樹脂預聚物上的酚羥基與模板劑中親水基團氧化乙烯EO段通過形成氫鍵，而圍繞著模板劑進行組裝排列并進一步聚合交聯(lián)，能夠得到有機/有機的有序介觀結構，炭化后形成介孔。

圖2　 不同模板劑用量時介孔炭材料的XRD譜圖

由圖2可以看到，隨著介孔模板劑質(zhì)量百分比的增加，炭材料的XRD譜圖中有序介觀結構的特征衍射峰從弱到強再到中等，在模板劑用量40%時有序膠束的特征衍射峰出現(xiàn)最強值。當濃度較低（30%）時，XRD譜圖中只出現(xiàn)一個較弱的有序介觀結構的特征衍射峰，說明此濃度下只有少量的溶致型液晶相，酚醛樹脂的預聚物和表面活性劑膠束之間未能充分地進行有效組裝；而當模板劑濃度較高（50%）時，XRD譜圖中出現(xiàn)一中等強度的炭材料有序介觀結構特征衍射峰，說明在此濃度下由表面活性劑所形成的有序膠束相的空間排列己從最佳濃度（40%）下降而趨于紊亂。表明模板劑P123∶F127=1∶3的混合物與碳源的最佳比例為2∶3，所得到介孔炭材料有序性最好。

2.3 酚醛樹脂預聚時間對介孔炭孔有序性的影響

當介孔模板劑P123∶F127=1∶3，介孔模板劑與碳源質(zhì)量比為2∶3，介孔模板劑和酚醛樹脂都配成20%的乙醇溶液時，研究酚醛樹脂預聚時間對介孔炭孔結構及有序性的影響。預聚時間依次為1，2，2.5，3 h的酚醛樹脂，與模板劑組裝所形成的介孔炭材料的小角XRD如圖3所示。

圖3　 不同預聚時間時酚醛樹脂基介孔炭材料的XRD譜圖

實驗發(fā)現(xiàn)，當預聚時間達3 h時酚醛樹脂溶液出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，說明3 h已經(jīng)有凝膠析出，達到本實驗條件下水溶性酚醛樹脂預聚的凝膠化時間。由圖3可以看出，酚醛樹脂預聚時間為2.5 h時，衍射峰相對強度更高且峰更尖銳，得到的介孔炭材料的有序性最好。

2.4 介孔炭材料的形貌分析

將上述最優(yōu)條件下：酚醛樹脂預聚時間2.5 h，介孔模板劑P123∶F127=1∶3，介孔模板劑與碳源質(zhì)量比2∶3，通過溶劑蒸發(fā)誘導自組裝制備的介孔炭材料，通過SEM觀察其形貌及孔結構，如圖4所示。在SEM下將試樣放大15萬倍后，如圖4a中清晰可見介孔孔道的凹痕有序平行排列。其介孔尺寸可進一步通過HRTEM測出為3.9 nm，如圖4b所示，且各介孔呈條帶狀高度有序排列。

圖4　 介孔炭材料的FESEM及HRTEM照片

2.5 介孔炭材料的比表面積及孔結構分析

將介孔炭材料通過物理吸附-脫附測試以獲得其比表面積及孔徑分布等數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5　 介孔炭材料的N2吸附-脫附曲線和孔徑分布曲線

由氮氣吸附等溫線圖5a可看出，材料表現(xiàn)出典型的Ⅳ型等溫線，在相對壓力為0.4～0.7之間有一明顯的滯后環(huán)，呈現(xiàn)典型的介孔結構材料的毛細凝聚吸附機理特征［21］。而在起始的低相對壓力下，可觀察到氮氣吸附量的階躍增加，表明存在一定量的微孔。且吸附-脫附滯后環(huán)屬于H1型，表明該炭材料的孔多由尺寸高度均一、形狀規(guī)則的簡單連通孔組成，孔結構有孔徑均一分布的圓柱形、獨立細長孔及大小均一的球形粒子堆積而成的孔穴。從吸附分支得到的BJH孔徑分布曲線（圖5b）可以看出，材料介孔孔徑集中在3.9 nm左右，呈均一分布，這與圖4b所得信息完全吻合。

介孔炭材料的比表面積及孔結構參數(shù)見表1。

表1　 介孔炭材料孔結構參數(shù)

2.6 介孔炭材料的電容性能研究

圖6　 介孔炭材料的循環(huán)伏安曲線及恒流充放電曲線

介孔炭材料為活性電極材料測得的循環(huán)伏安曲線、恒流充放電曲線如圖6所示。由圖6a可知，該介孔炭的循環(huán)伏安曲線近似于矩形，可逆性良好，表明材料具有較理想的電化學性能。不僅在低掃描速率下，電解液與電極材料可以充分浸潤接觸，而且隨著掃描電壓速率的增加，同一電勢下響應電流也成比例增大，符合理想碳基電容器的容量和掃描速度無關這一規(guī)律，說明該介孔炭的電容主要是雙電層電容，且該電極亦可用于大電流下工作。

由圖6b可知，該介孔炭材料的充放電曲線均呈等腰三角形，且電極電位隨時間呈線性變化。說明該電極材料具有良好的電化學性能且可逆性好。對其放電曲線計算出該介孔炭材料的比電容如圖7所示。根據(jù)如下公式計算電極比容量：C=（IΔt）/（mΔV），式中I為充放電電流，I=m×電流密度，A；t為放電時間，s；ΔV為放電電壓范圍，V；m為單電極片中活性物質(zhì)的質(zhì)量，g。

圖7　 不同電流密度下介孔炭的比電容圖

由圖7看出，該有序介孔炭材料的比容量隨電流密度增大而降低，且當電流密度大于5 A/g后降低減緩。這是由于電流密度增大，充放電時間變短，活性物質(zhì)不能充分浸潤，致使材料表面無法得到完全利用，充放電不完全，故其比容量降低。而小電流情況下進行充放電則不會出現(xiàn)類似情況，由于其充放電時間長，活性物質(zhì)得到充分浸潤吸附電解液后，電解液離子滲透進入活性物質(zhì)內(nèi)部的孔中，使得活性物質(zhì)的利用率提高，因而比容量較大。雖然比容量隨電流密度增大而降低，但下降的數(shù)值不是很大，且在大電流密度下比電容沒有快速衰減，說明其具有優(yōu)良的功率性能。以該高度有序介孔炭為活性材料，在6 mol/L KOH電解質(zhì)溶液的三電極體系中，1 A/g的電流密度下，材料比電容可達146.5 F/g，即使在10 A/g的大電流密度下，其比電容亦可達118 F/g。

3 　結論

首先優(yōu)化了制備酚醛樹脂基有序介孔炭材料的工藝條件：以含量為40%的P123∶F127=1∶3的乙醇溶液為模板劑體系，預聚時間為2.5 h的酚醛樹脂為碳源，經(jīng)過溶劑蒸發(fā)誘導自組裝與低速程序升溫炭化后，得到比表面積為550.12 m2/g，孔容為0.385 4 m3/g的高度有序介孔炭材料，平均孔徑為3.97 nm。

以該高度有序介孔炭為活性材料，在6 mol/ L KOH電解質(zhì)溶液的三電極體系中，1 A/g的電流密度下，材料比電容可達146.5 F/g，即使在10 A/ g的大電流密度下，其比電容亦可達118 F/g。

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重慶聚苯硫醚樹脂項目開工

重慶聚獅新材料科技有限公司聚苯硫醚（PPS）樹脂項目宣布開工。該項目位于重慶市長壽經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)化工園區(qū)，總投資7.5億，設計年產(chǎn)3萬t纖維級PPS。

PPS樹脂是一種新型高性能熱塑性樹脂，具有機械強度高、耐高溫、耐化學藥品性、難燃、熱穩(wěn)定性好、電性能優(yōu)良等優(yōu)點。PPS因其綜合性能突出，生產(chǎn)工藝相對成熟，成為工業(yè)化進程最快的一個品種，已廣泛應用于環(huán)保、汽車、電子、石化、制藥等行業(yè)。目前，全球PPS需求日益增長。隨著科技進步、社會發(fā)展，各國政府對防腐蝕、軍工國防及環(huán)保建設日益重視以及電子電氣、石油化工、醫(yī)藥和汽車工業(yè)等諸多領域?qū)PS的需求增大，這給全球PPS生產(chǎn)商提供了擴大再生產(chǎn)的機會。市場研究機構MarketsandMarkets發(fā)布的報告稱，2020年全球PPS市場將增至15億美元。 （中塑在線）

Synthesis and Capacitance Performance of Phenolic Resin-based Highly Ordered Mesoporous Carbon Materials

Cai Jiangtao1， Fu Shiqi1， Zhang Yating1， Liu Guoyang1， Qiu Jieshan2， Zhou Anning1
（1. College of Chemistry &Chemical Engineering， Xi’an University of Science and Technology， Xi’an 710054， China；2. State Key Lab of Fine Chemicals， Liaoning Key Lab for Energy Materials and Chemical Engineering， School of Chemical Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China）

A resole resin was first synthesized from phenol and formaldehyde under alkaline conditions，then used as carbon precursor with ternary block copolymer （P123 and F127） as mesopore template to prepare highly ordered mesoporous carbon （OMC）materials by solvent-induced self-assembly in ethanol. The structure and electrochemical properties of the as-made OMC were studied by small-angle X-ray diffraction，scanning electron microscopy，transmission electron microscopy，physical adsorption and electrochemical technique. It has been found that the OMC has an ordered mesoporous structure，a specific surface area of 550.12 m2/g，average pore size of 3.97 nm and pore volume of 0.385 4 cm3/g，respectively. With 6 mol/L KOH solution as electrolyte in a three electrode system，the as-made OMC show a specific capacitance of 146.5 F/g under current density of 1 A/g.

ordered mesoporous carbons；phenolic resin；templating agent；specific capacitance

TQ323.1

A

1001-3539（2016）09-0027-06

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.09.006

*NSFC-新疆聯(lián)合基金重點基金項目（U1203292），陜西省自然科學基礎研究計劃項目（2014 JM2043），陜西省教育廳專項科研計劃項目（15JK1451）

聯(lián)系人：周安寧，教授，主要從事煤基復合材料研究

2016-07-01