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耐高温气凝胶隔热材料制备新工艺开发及性能研究

申报人:卜欣雨 申报日期:2024-11-06

基本情况

2025年度大学生创新创业训练计划
耐高温气凝胶隔热材料制备新工艺开发及性能研究 学生选题
创新训练项目
工学
能源动力类
教师科研项目选题
一年半期
超级电容器新兴,功率密度大、能量输出优,有效弥补了传统电容器能量密度不足的缺陷。与电池相比,超级电容器具有充放电速度快、循环寿命长等优点。近几年,发展快,应用广。电极材料影响其性能,炭气凝胶是高性能电极材料,但制备工艺复杂、成本高,限制应用。本项目拟改善气凝胶制备工艺,降低成本、提升电化学性能,推动炭气凝胶在超级电容器领域广泛应用,使其更好发挥优势,为相关领域发展助力。

黄胜,副教授,研究方向为生物质及煤热化学清洁高效转化。承担科研项目近10余项,发表SCI论文70篇,授权及公布专利12项,获省部级奖3项,技术成果鉴定1项。作为团队核心成员开发的规模化生物质气化发电/供热技术均已实现工业应用,“10MW秸秆气化发电项目”在国内首次实现并网运行,气化供热已推广应用,在该领域处于领跑地位。参与开发的低阶煤温和液化制液/固体燃料新技术目前正在企业进行600kg/d的小试验证。截止目前共指导6项大学生创新训练项目,其中国家级1项,上海市级2项,已指导本科生发表SCI论文三篇,获中国国际大学生创新大赛上海市金奖1项,上海市大学生节能减排社会实践与科技竞赛二等奖1项,大学生节能减排社会实践与科技竞赛校赛一等奖1项。

指导教师将从如下几个方面对本项目提供支持:为本项目申请书的撰写、中期及结题答辩提供理论指导;提供本项目研究所需的装置、原料、试剂以及相关的分析检测设备;为本项目试验装置的搭建、试验方案的设计、试验操作、产物性质分析表征以及数据分析提供全程指导。

国家级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
卜欣雨 资源与环境工程学院 能源与动力工程 2023 人员管理、数据分析
胡酉熙 资源与环境工程学院 能源与动力工程 2023 ppt制作、实验研究
晁绮旋 资源与环境工程学院 能源与动力工程 2023 实验研究、记录图表
毛晓萌 资源与环境工程学院 能源与动力工程 2023 实验研究、文本撰写

指导教师

序号 教师姓名 教师账号 所属学院 是否企业导师 教师类型
黄胜 08138 资源与环境工程学院

立项依据

超级电容器新兴,功率密度大、能量输出优,有效弥补了传统电容器能量密度不足的缺陷。与电池相比,超级电容器具有充放电速度快、循环寿命长等优点。近几年,发展快,应用广。电极材料影响其性能,炭气凝胶是高性能电极材料,但制备工艺复杂、成本高,限制应用。本项目拟改善气凝胶制备工艺,降低成本、提升电化学性能,推动炭气凝胶在超级电容器领域广泛应用,使其更好发挥优势,为相关领域发展助力。
本课题以间苯二酚-甲醛为气凝胶的前驱体,通过改变溶胶-凝胶过程中催化剂的种类,浓度以缩短凝胶和老化的时间。通过比较超临界干燥,常压干燥和冷冻干燥三种干燥方法找到最佳的RF有机气凝胶制备工艺。寻找合适的活化以及改性的方法提高碳气凝胶的比表面积,电化学性能,降低表观密度,以制备适合作为超级电容器电极的改性CA材料。
(1)通过改变间苯二酚-甲醛前驱体浓度、催化剂种类、间苯二酚与催化剂的摩尔比来调控碳气凝胶的表观密度、线收缩率、微观形貌和电化学性能,找到最佳制备碳气凝胶的工艺路线。 
(2)在间苯二酚-甲醛溶胶-凝胶过程中掺杂金属离子和氧化石墨烯,研究不同改性条件下碳气凝胶的电化学性能。
(3)对比常压干燥、冷冻干燥及超临界干燥条件下制备所得有机及炭气凝胶的形貌、孔结构特性与相应电化学性能,进一步提升其电化学性能。
(4)对不同活化方法对碳气凝胶进行活化,进一步丰富其孔结构,获得电化学性能的提高。
炭气凝胶是近年来新型炭材料研究的热点方向之一。由于其结构和性能特性,可用于制造超级电容器的电极,也可用于催化剂及催化剂载体、气体过滤材料、药物载体、红外线吸收材料和声阻抗耦合材料等领域,有良好的应用前景[1~3]。目前,美国、德国、日本、法国等国家对炭气凝胶的研究开发工作极为关注。
通过在炭气凝胶电极引入赝电容提升其比电容,有效的方式是引入能产生赝电容效应的过渡金属氧化物。这可让氧化锰颗粒空间分布更均匀、晶体结构更稳定,提高赝电容部分的循环稳定性。在高比表面积和高导电性的炭气凝胶基底上杂化复合过渡金属氧化物,能解决炭气凝胶电极能量密度不足、过渡金属氧化物导电性差、反复充放电时溶解和溶胀问题,使炭气凝胶作超级电容器电极材料时比电容更高。
研究思路和方法
① 模仿文献中的常规制备方法,了解熟悉间苯二酚-甲醛有机气凝胶的制备流程,制备出基础的碳气凝胶;
②改变制备过程中的各种影响因素,制备改性的碳气凝胶;
③对制得的碳气凝胶进行表征和电化学测试。
拟解决的问题
某些过度金属氧化物可以通过其表面快速的非法拉第反应来产生和双电层电容储能类似的雁电容效应。然而通常这些过渡金属氧化物本身的导电性差、且其尝试的雁电容效应仅发生于其表面的薄层,同时在其作为超级电容器使用时将在反复充放电时面临溶解和溶胀效应等一系列问题。
项目预期成果发表学术论文1篇或参加科创竞赛1项。
第一季度:阅读文献,熟悉气凝胶的制备流程,制备出酚醛树脂基湿凝胶、气凝胶、碳气凝胶,发现实验操作中的问题加以改进。
第二季度:对制备的凝胶、气凝胶、碳气凝胶进行表征和测试。
第三季度:筛选性能优异的配比和制备工艺。
第四季度:进行碳气凝胶制备阶段的改性处理,对改性的碳气凝胶的性质进行分析表征。
第五季度:研究改性和活化方法使得碳气凝胶性能进一步提升,并与常规碳气凝胶作对比。
第六季度:总结之前的实验经验,查缺补漏,撰写研究论文和结题报告,参加结题答辩。
碳气凝胶在双电层电容器中的研究进展

CA因高孔隙率、高比表面积、高导电性和可控三维网络结构等优点,是理想的EDLC电极材料。其研究方向如下:

(1)为可持续发展,生物质材料作碳源有优势,如棉花、纤维素、壳聚糖等,制备的CA孔隙结构和比表面积较好。但制备过程繁琐复杂且不可重复,如Zhuo等以纤维素制得分级多孔CA,Tian等以葡萄糖制得氮自掺杂多孔CA。

(2)考虑成本和风险,常压干燥是最佳干燥方式,能满足性能需求,如秦等通过常压干燥制备CA。

(3)通过活化调控CA多孔结构和比表面积,增加电极材料比电容。如Lee等用CO2活化CA,Calum等用KOH活化CA。

(4)利用掺杂等方法改性CA,引入法拉第反应提高比电容,常用氮官能团掺杂。如An等制备聚吡咯/CA复合材料,Xu等制备Mn掺杂CA。

研究发现,CA孔径结构和电容行为的联系是主要方向。理论上CA比表面积与电极比电容呈正比,但实验结果远低于理论值,比电容受多种因素影响。

项目所在课题组已对二氧化硅、氧化锆以及炭气凝胶的制备方法及性能提升进行了深入研究,这为本项目的顺利完成奠定了坚实基础。
本项目依托能源化工系黄胜副教授在研发气凝胶领域相关的课题研究。
实验仪器包括常规分析化验仪器设备,以及高温高压反应釜装置(150-500mL)、元素分析仪、超临界干燥装置、马弗炉、烘箱热台偏光显微镜等。
实验室配备相关书籍,文献可在校图书馆网站查阅。
实验场所包括徐汇校区实验六楼106、221和科辅三楼-B等实验室。

经费预算

开支科目 预算经费(元) 主要用途 阶段下达经费计划(元)
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 10000.00 10000.00 0.00
1. 业务费 5500.00 5500.00 0.00
(1)计算、分析、测试费 5000.00 气凝胶XPS、XRD和SEM测试等 5000.00 0.00
(2)能源动力费 0.00 0.00 0.00
(3)会议、差旅费 0.00 0.00 0.00
(4)文献检索费 500.00 专业书籍 500.00 0.00
(5)论文出版费 0.00 0.00 0.00
2. 仪器设备购置费 0.00 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 0.00 0.00
4. 材料费 4500.00 购置正硅酸乙酯、氯化锆等原材料进行实验 4500.00 0.00

项目附件

  • 2024年大学生创新创业训练计划项目申报书-创新训练类-气凝胶.docx
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结束