碳化硅衍生碳/球形天然石墨復(fù)合材料的制備及其結(jié)構(gòu)調(diào)控

杜雪蓮 叢 野,* 姜 露 李軒科,* 崔正威董志軍 袁觀明 張 江(武漢科技大學(xué),省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室,武漢43008; 武漢科技大學(xué),湖北省煤轉(zhuǎn)化與新型炭材料重點實驗室,武漢43008)

碳化硅衍生碳/球形天然石墨復(fù)合材料的制備及其結(jié)構(gòu)調(diào)控

杜雪蓮1,2叢 野1,2,*姜 露2李軒科1,2,*崔正威2董志軍2袁觀明2張 江2
(1武漢科技大學(xué),省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室,武漢430081;2武漢科技大學(xué),湖北省煤轉(zhuǎn)化與新型炭材料重點實驗室,武漢430081)

為滿足儲能領(lǐng)域?qū)τ诓牧霞婢吒吣芰棵芏群透吖β拭芏鹊男枨?本文旨在將具有特殊孔隙結(jié)構(gòu)的碳化物衍生碳與具有高導(dǎo)電性和高能量存儲密度的石墨化碳(球形天然石墨)相復(fù)合,制備得到一種多孔碳化硅衍生碳/球形天然石墨(SiC-CDCs@NG)復(fù)合材料.采用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、拉曼光譜、N2吸/脫附等方法對材料的組成、結(jié)構(gòu)、形貌、孔結(jié)構(gòu)和比表面積等進行了表征.結(jié)果表明, SiC-CDCs@NG材料具有較大的且可調(diào)節(jié)的比表面積和微孔體積,微孔孔徑集中在0.5-0.7 nm范圍內(nèi);通過改變NG/Si摩爾比,可以有效調(diào)控CDCs殼和NG核在復(fù)合材料中的組成分布、CDCs微孔的體積、孔徑分布和比表面積.

碳化硅衍生碳;復(fù)合材料;結(jié)構(gòu)調(diào)控;比表面積;孔徑分布

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1 引言

碳化物衍生碳(CDCs)是以碳化物晶格為模板,通過選擇性刻蝕將碳化物中的金屬或非金屬元素去除,并將碳骨架完好地保留而制得的納米孔炭材料,1具有比表面積高、納米孔結(jié)構(gòu)發(fā)達、孔徑分布窄且精確可調(diào)等優(yōu)點,在雙電層電容器、催化劑載體、氣體儲存等領(lǐng)域具有獨特的應(yīng)用優(yōu)勢.2-6

多孔CDCs的制備通常采用高溫氯化法,用氯氣刻蝕金屬碳化物方法簡單,CDCs膜厚容易控制且制備的產(chǎn)物純凈.7-10碳化物衍生碳的結(jié)構(gòu)是其模板碳化物結(jié)構(gòu)的復(fù)制,因此CDCs的結(jié)構(gòu)首先取決于作為模板劑的碳化物的種類.如文獻11中報道的用碳化釩(VC)和碳化鉿(HfC)作碳化物前驅(qū)體比用碳化鈦(TiC)、碳化鋯(ZrC)、碳化鉭(TaC)、碳化鈮(NbC)作前驅(qū)體能制備更加有序的碳.也有報道表明微孔率和中孔率受起始碳化物前驅(qū)體及其密度的影響.12由于前驅(qū)體的差異,CDCs的孔隙率在50%-80%之間不等.CDCs的孔結(jié)構(gòu)還可通過控制溫度、時間、壓強、刻蝕氣體的流量和其他過程參數(shù)進一步調(diào)節(jié),11-13其中溫度的影響最為顯著.隨著氯化溫度的升高,CDCs的結(jié)構(gòu)將經(jīng)歷一個漸進向部分石墨化演化的過程,14-19600°C以下得到的CDCs主要是無定形結(jié)構(gòu),800°C左右開始出現(xiàn)一些短小、彎曲的石墨烯片結(jié)構(gòu),1200°C開始形成一些有序性好、厚1 nm至數(shù)納米的石墨帶、帶狀碳和晶須.14據(jù)文獻報道,SiC在900-1000°C氯化可得到由無定形碳包圍的納米金剛石.13,14當(dāng)提高氯化溫度,在SiC/C界面處納米金剛石會轉(zhuǎn)化生成洋蔥碳和石墨.15

單純以碳化物衍生碳作為電極活性物質(zhì)的超級電容器能表現(xiàn)出較高的比電容特性,20-24但仍主要依靠衍生碳大的比表面積和特殊的孔結(jié)構(gòu)在電極表面發(fā)生物理吸附進行儲能,和一般鋰離子電池相比(比能量120-170 Wh·kg-1),能量密度不高(～10.8 Wh·kg-1).因此,我們設(shè)計了一種以多孔質(zhì)碳化物衍生碳與具有高導(dǎo)電性和高能量儲存密度的天然石墨(NG)相復(fù)合的材料作為儲能用電極材料,期望該復(fù)合材料既具有超級電容器用材料合適的比表面積與孔隙結(jié)構(gòu)進行雙電層儲能,又具有優(yōu)異的鋰離子脫/嵌可逆性,從而滿足儲能領(lǐng)域?qū)τ诓牧霞婢吒吣芰棵芏群透吖β拭芏鹊男枨?

本文以球形天然石墨和硅為原料通過固相反應(yīng)生成碳化硅@球形天然石墨(SiC@NG)前驅(qū)體,然后通過氯氣刻蝕制備了碳化硅衍生碳/球形天然石墨(SiC-CDCs@NG)復(fù)合材料,采用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、拉曼光譜、N2吸/脫附對材料的組成、結(jié)構(gòu)、形貌進行了表征.重點研究了球形天然石墨與硅(NG/Si)的摩爾比對SiC-CDCs@NG復(fù)合材料的組成、微觀結(jié)構(gòu)和形貌、孔結(jié)構(gòu)及比表面積的影響.

2 實驗部分

2.1 固相法合成SiC@NG前驅(qū)體

以球形天然石墨和硅粉為原料(NG規(guī)格:灰分0.1%,粒徑15-20 μm,深圳市斯諾實業(yè)發(fā)展有限公司;Si粉:300目,純度99.99%,北京中金研新材料科技有限公司),采用固相法在1600°C反應(yīng)2 h(NG/Si摩爾比值分別為1、2、3、4),制備SiC@NG-R(R表示不同的NG/Si摩爾比)前驅(qū)體.

2.2 氯化法制備多孔SiC-CDCs@NG復(fù)合材料

將2.1節(jié)所制備的SiC@NG前驅(qū)體粉末樣平鋪在石英容器中,放入管式爐中,通入氬氣,以5°C· min-1的升溫速率加熱至目標(biāo)溫度(1000°C),開始向管式爐中通入氯氣,氯氣流量為20-30 mL·min-1,并保持1 h.氯化完成后繼續(xù)通氬氣,將樣品中殘留的氯氣和樣品孔隙里生成的副產(chǎn)品帶走,直到溫度降到室溫.反應(yīng)生成的氣態(tài)副產(chǎn)品用NaOH溶液吸收.

2.3 樣品表征

XRD采用Philips X Pert MPD Pro型轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀,以陽極Cu靶,Kα輻射線(λ=0.154056 nm)為輻射源,測試管電壓為40 kV,管電流為30 mA,掃描速率為8(°)·min-1,掃描范圍為10°-90°.SEM采用VEGE 3 SBH-EasyProbe型掃描電子顯微鏡對樣品進行測試.TEM采用日本電子公司的JEM-2100型透射電子顯微鏡,測試電壓為200 kV.拉曼光譜分析采用Thermo公司RenishawinVia Reflex型激光顯微拉曼光譜儀,使用氦氖激發(fā)器,激發(fā)波長為632.8 nm.N2吸附/脫附等溫曲線采用美國Micromeritics公司的ASAP 2020物理吸附儀于77 K條件下測試,測試前,樣品在真空條件下于350°C預(yù)先脫氣4 h.樣品的比表面積采用Brunauer-Emmett-Teller(BET)方法,根據(jù)相對壓力(p/p0)在0.04-0.2范圍內(nèi)的吸附數(shù)據(jù)進行計算;孔徑分布(PD)由等溫線吸附分支采用密度泛函理論(DFT)模型計算,孔體積(孔容)用相對壓力(p/p0=0.998)處的吸附量計算.

3 結(jié)果與討論

3.1 SiC@NG前驅(qū)體結(jié)構(gòu)和形貌表征

以球形天然石墨和Si粉為原料,采用固相法在1600°C反應(yīng)2 h,制備了SiC@NG前驅(qū)體.圖1是不同NG/Si摩爾比值(1、2、3、4)條件下所制備的SiC@NG前驅(qū)體的XRD圖.從圖中可以看出,在衍射角2θ=26.6°,42.3°,44.5°,54.8°,77.4°附近出現(xiàn)了幾個較強的衍射峰,分別對應(yīng)于碳的(002)、(010)、(011)、(004)、(110)晶面衍射峰(JCPDS:00-008-0415);在2θ=35.7°,41.5°,60.1°,71.9°附近出現(xiàn)了四個較強衍射峰,與立方相碳化硅(β-SiC)的標(biāo)準(zhǔn)譜圖(JCPDS:01-089-8487)相比分別對應(yīng)SiC的(111)、(200)、(220)、(311)晶面,表明在產(chǎn)物中主要存在未完全反應(yīng)的碳(球形天然石墨)和固相反應(yīng)生成的立方相SiC兩相共存,沒有其他雜質(zhì);隨著NG/Si摩爾比的減小,碳的衍射峰強度明顯減弱,當(dāng)摩爾比值為1時,碳的衍射峰基本消失,而立方相SiC的衍射峰則明顯增強,這表明NG與Si反應(yīng)生成的SiC增多,因此可以通過改變NG/Si的摩爾比來控制固相反應(yīng)的深度,調(diào)控SiC@NG前驅(qū)體中殼層SiC的厚度和NG核的尺度,并最終調(diào)控其刻蝕產(chǎn)物CDCs@NG中CDCs和NG的組成.

圖1 不同NG/Si摩爾比值(R)條件下制備的SiC@NG前驅(qū)體的XRD圖Fig.1 XRD patterns of precursor SiC@NG synthesized with different NG/Si molar ratios(R)

圖2是NG原料和SiC@NG-2(NG/Si摩爾比為2)前驅(qū)體的SEM圖及SiC@NG-2的能量色散X射線能譜(EDS)圖.從圖中可以看出,固相反應(yīng)后球形天然石墨表面的粗糙程度明顯增大,表面被包覆了一層由細小的顆粒聚集而成的新相,球體尺寸也有明顯的增大,但球形結(jié)構(gòu)基本保持不變.根據(jù)SiC@NG-2的EDS結(jié)果及結(jié)合XRD結(jié)果判斷,球形天然石墨表面包覆層為與Si反應(yīng)生成的SiC.因此,球形天然石墨與Si粉經(jīng)1600°C固相反應(yīng)后可以制備得到表面包覆均勻性較好的SiC涂層.

圖2 (a)球形天然石墨原料和(b,c)SiC@NG-2的SEM圖及(d)SiC@NG-2的EDS圖Fig.2 SEM images of(a)NG and(b,c)SiC@NG-2,and(d)energy dispersive X-ray spectroscopy(EDS)image of SiC@NG-2

3.2 多孔SiC-CDCs@NG復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)表征

以氯氣為刻蝕劑,將SiC@NG前驅(qū)體在1000°C氯化1 h.圖3是不同NG/Si摩爾比值(1、2、3、4)條件下所制備的SiC-CDCs@NG的XRD圖.從圖中可以看出,當(dāng)NG/Si摩爾比為2、3、4時,刻蝕后,產(chǎn)物中只有碳的衍射峰存在,而SiC的衍射峰已完全消失,這是因為SiC中的Si原子被氯氣刻蝕掉而生成了新的衍生碳,且隨著NG/Si摩爾比的增大,碳的(002)峰逐漸增強,這與圖1中的結(jié)果相一致.而NG/Si摩爾比為1的SiC@NG前驅(qū)體刻蝕后仍然存在SiC的衍射峰,其原因是NG/Si摩爾比降低后,經(jīng)固相反應(yīng)生成的立方相SiC較多,在同樣條件下,SiC不能完全反應(yīng).因此,對于含SiC較多的SiC@NG前驅(qū)體需要通過增加氯氣流量、提高刻蝕溫度或延長反應(yīng)時間等實現(xiàn)Si的完全脫除.

圖4是天然石墨原料和SiC@NG前驅(qū)體Cl2刻蝕后產(chǎn)物的Raman光譜,從圖中可以看出,在約1330、1580和2670 cm-1處出現(xiàn)了三個峰,分別對應(yīng)為石墨碳的D峰、G峰和2D峰.D峰歸屬于邊緣或者其它缺陷形式存在的sp3雜化的碳原子,G峰對應(yīng)于有序的sp2雜化的碳原子.從圖中可看出,天然石墨呈現(xiàn)出強且半峰寬較窄的G峰和2D峰,表明其結(jié)構(gòu)規(guī)整有序.25與天然石墨相比SiC-CDCs@NG的G峰明顯變寬且對稱性變差,而且呈現(xiàn)出強而寬的D峰,說明相當(dāng)一部分sp2雜化碳原子轉(zhuǎn)化為sp3雜化結(jié)構(gòu),即石墨晶體的有序度降低,產(chǎn)生了更多的缺陷,這主要是由于SiC@NG經(jīng)氯氣刻蝕所生成的衍生碳主要以無序的無定形碳為主.且隨著NG/Si摩爾比的增大,D峰與G峰強度比(ID/IG)值逐漸減小,表明SiC-CDCs@NG結(jié)構(gòu)中所含的無序的無定形衍生碳減少.這主要是因為NG/Si摩爾比越大,經(jīng)固相反應(yīng)生成的立方相SiC越少,刻蝕后得到的無定形衍生碳也越少.當(dāng)NG/Si摩爾比為1時,SiCCDCs@NG的D峰強度超過G峰,且其2D峰已基本消失,說明此時結(jié)構(gòu)中主要以無定形的衍生碳為主.此外,對于SiC-CDCs@NG-1,在785和961 cm-1出現(xiàn)的兩個峰分別對應(yīng)于SiC,它們分別對應(yīng)于β-SiC的橫光學(xué)聲子模(TO)及縱光學(xué)聲子模(LO)光學(xué)特征譜線.26,27表明材料中仍然殘留部分沒有刻蝕完全的SiC,這與圖3 XRD的結(jié)果相一致.

圖3 SiC-CDCs@NG-R的XRD圖Fig.3 XRD patterns of SiC-CDCs@NG-R

圖4 NG和SiC-CDCs@NG-R的Raman光譜Fig.4 Raman spectra of NG and SiC-CDCs@NG-R

圖5是SiC@NG-2前軀體1000°C下經(jīng)Cl2刻蝕制備的SiC-CDCs@NG的SEM圖,復(fù)合材料仍然保持球形石墨的球形形貌,與刻蝕前的SiC@NG-2前軀體(圖2(b,c))相比,球形石墨表面的粗糙度明顯降低,顆粒明顯減少,呈現(xiàn)較疏松的多孔狀態(tài).

圖5 SiC-CDCs@NG-2的SEM圖Fig.5 SEM images of SiC-CDCs@NG-2

圖6是SiC@NG-2前驅(qū)體和SiC-CDCs@NG-2的TEM圖,SiC@NG-2的TEM(圖6a)及其HRTEM (圖6b)中可以觀察到明顯的晶格條紋,其晶格條紋間距是0.251 nm,與立方β-SiC的(111)晶面族的晶面間距相等,由此可以進一步證實所得到的產(chǎn)物為立方的β-SiC單晶體.表明經(jīng)固相反應(yīng)后,在NG表面生成了新相β-SiC.經(jīng)氯氣刻蝕后,SiC-CDCs@NG-2的TEM圖(圖6c)及HRTEM圖(圖6d)中未觀察到明顯的SiC晶格條紋,主要以無序的無定形碳存在,其中有少量的短而卷曲的石墨烯層.表明經(jīng)氯化反應(yīng)后,SiC@NG-2中的Si元素基本被刻蝕掉,生成的碳化硅衍生碳有序性較低.從圖6c可以清晰地觀察到衍生碳包覆的核@殼結(jié)構(gòu),其殼的厚度大約在20 nm左右.

圖6 (a,b)SiC@NG-2前驅(qū)體和(c,d)SiC-CDCs@NG-2的TEM圖Fig.6 TEM images of(a,b)precursor SiC@NG-2 and(c,d)SiC-CDCs@NG-2

圖7(a)是制備的SiC-CDCs@NG-R的N2吸/脫附等溫線,從圖中可以看出,所有的曲線都屬于典型的I型曲線,即微孔的吸/脫附線,且隨著NG/Si摩爾比的減小,在相對壓力p/p0＜0.1的區(qū)間內(nèi),N2的吸附量在不斷增大,表明其微孔含量越高.圖7(b)是根據(jù)DFT模型得到的SiC-CDCs@NG-R的孔徑分布圖,SiC-CDCs@NG-R的孔徑可以分兩類,即微孔(＜2 nm)、中孔(2-50 nm).在SiC-CDCs@NG-R的孔徑分布中以微孔為主,孔徑主要集中在0.5-0.7 nm之間;隨著NG/Si摩爾比減小,孔徑分布更窄,微孔尺寸更小.

圖7 SiC-CDCs@NG-R的(a)N2吸/脫附等溫線和(b)孔徑分布圖Fig.7 (a)N2adsorption/desorption isotherms and(b) pore size distribution of SiC-CDCs@NG-R

表1列出了SiC@NG-1和SiC-CDCs@NG-R復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)參數(shù),可以看出刻蝕前的SiC@CDC-1前驅(qū)體比表面積(1.8 m2·g-1)和總孔容(0.001 cm3· g-1)都很小,基本不含有微孔;而刻蝕后的產(chǎn)物孔體積(總孔體積和微孔體積)和比表面積都明顯增大.隨著NG/Si摩爾比減小,SiC-CDCs@NG-R的比表面積顯著增大,由281.2 m2·g-1增加至964.1 m2·g-1,其比表面積主要由微孔貢獻;材料總的孔體積和微孔孔體積也明顯提高.

表1 SiC@NG-1和SiC-CDCs@NG-R復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of SiC@NG-1 and SiC-CDCs@NG-R composites

4 結(jié)論

采用固相法制備SiC@NG前驅(qū)體,然后通過氯氣刻蝕的方法成功制備了SiC-CDCs@NG-R復(fù)合材料,該材料具有典型的核@殼結(jié)構(gòu),即以NG為核,以具有＜1 nm的微孔的CDCs為殼.通過控制NG/Si摩爾比可以有效調(diào)控CDCs殼的厚度和NG核的尺寸,并在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)SiC-CDCs@NG-R的比表面積(281.2-964.1 m2·g-1)和孔體積(0.170-0.432 cm3·g-1).

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Preparation and Structure Regulation of Silicon Carbide-Derived Carbon/ Spherical Natural Graphite Composites

DU Xue-Lian1,2CONG Ye1,2,*JIANG Lu2LI Xuan-Ke1,2,*CUI Zheng-Wei2DONG Zhi-Jun2YUAN Guan-Ming2ZHANG Jiang2
(1The State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081, P.R.China;2Hubei Province Key Laboratory of Coal Conversion&New Carbon Materials,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,P.R.China)

To meet the requirements of the energy storage materials for high energy density and high power density,porous silicon carbide/derived carbon-spherical natural graphite(SiC-CDCs@NG)composites were prepared.The composites were composed of tailored porous carbide-derived carbon and graphitized carbon with excellent conductivity and a high energy storage capacity.The composition,structure,morphology,pore structure,and specific surface area of the composites were characterized by X-ray diffraction(XRD),scanning electron microscopy(SEM),transmission electron microscopy(TEM),Raman spectroscopy,and N2adsorption/ desorption analysis.The composites exhibited a high and adjustable specific surface area and micro-pore volume,with a micro-pore size of between 0.5 and 0.7 nm.Varying the molar ratio of NG and Si allowed optimization of the micro-pore volume,pore size distribution,specific surface area,and composition and content of the CDCs shell and NG core.

Silicon carbide-derived carbon;Composite;Structure regulation;Specific surface area; Pore size distribution

O648;TQ127.1

10.3866/PKU.WHXB201501212www.whxb.pku.edu.cn

Received:December 9,2014;Revised:January 20,2015;Published on Web:January 21,2015.

?Corresponding authors.CONG Ye,Email:congye626@126.com.LI Xuan-Ke,Email:xkli8524@sina.com;Tel:+86-27-86556906. The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(51472186,51402221).

國家自然科學(xué)基金(51472186,51402221)資助項目