石墨纳米笼用于超级电容器电极材料的研究(3)
超级电容器作为一种新型储能器件，具有能量密度和功率密度高、比容量大等特点。它在电动汽车、移动通讯和国防等领域有巨大的市场前景。以碳纳米管为原料制备超级电容器，循环伏安和恒流充放电测试结果表明碳纳米管具有良有的双电层电容，比容量为64F/g[4]。碳纳米管的开放多孔结构(主要有相互缠绕的管间表面空隙形成，相互连通，不存在所谓的“死孔”，理论上作电极材料时所有的孔都能被利用上)，能在与电解质的交界面处形成双电层，从而聚集大量电荷，有利于提高超级电容器的性能[5]。
根据上述的对于碳纳米管的研究的了解，石墨碳纳米笼的研究也就势在必行。
1.2.2石墨碳纳米笼的制备
可以采用硫模板法制备石墨碳纳米笼[9]，核心为利用空气氧化将石墨层中掺杂的硫除去并在原位产生纳米孔洞。硫的掺杂是在碳包裹铁纳米核壳颗粒制备中同时进行的, 随后将其中铁基内核除去即得硫掺杂的石墨纳米笼。将其中的硫除去后, 石墨纳米笼的比表面积(由540提高至850 m2/g)和介孔孔容(由0.44 提高至0.9cm3/g)均有显著提高。
从硫模板法制备多孔石墨纳米笼方法中提出高纳米孔度纳米笼材料的生长过程如图所示：
图1硫模板法制备多孔石墨纳米笼方法中提出高纳米孔度纳米笼材料的生长过程[9]
目前GNCs拥有高的比表面积、中孔体积和良好的石墨化，应用于广泛领域作为吸附剂、电极材料以及能源存储媒介。它有较大大的内部中空空间,所以GNCs可以用作气体或放射性药物载体。例如,作为一个催化剂载体,这种材料更好的石墨结构,导致电子快速转换和高稳定性,其较高的介孔孔体积提供了更好的催化剂的有效扩散渠道，使得催化剂利用率更高。
1.2.3 石墨碳纳米笼的提纯
由于具有密度低、导电性好、本征阻尼性能好、热稳定性和化学稳定性高、比表面积可控等诸多优异的性能，碳纳米笼(Carbon nanocage，CNC)已成为近几年碳材料中的研究热点之一。空心碳纳米笼通常是作为碳纳米管的副产物而产生的。大多数碳纳米笼的孔径在2-100nm 之间，表面结构类似于多孔碳，其拥有较大的比表面积。因此碳纳米笼提纯的方法可以根据碳纳米管的提纯方法进行选择。常见的提纯方法大的方向可分为物理提纯和化学提纯
物理提纯是根据碳纳米管与杂质的粒径、形状、电性等物理性质的差异,借助于超声分散、离心分离、微孔过滤、空间排组色谱法、电泳法等物理方法将CNTs 和杂质相互分离而达到提纯目的。通常先通过超声分散使黏附在碳纳米管壁上的无定形碳、碳纳米颗粒脱落下来,使覆盖在催化剂颗粒上的石墨层剥离。然后离心分离,由于碳纳米管比无定形碳、石墨粒子、碳纳米颗粒等杂质的粒度大,所以离心分离时,碳纳米管先沉积下来,而粒度较小的碳纳米颗粒、石墨粒子等却悬浮在溶液之中,将悬浮液在加压或者超声振荡协助下通过微孔过滤膜,就可以将粒度小于微孔过滤膜孔径的杂质粒子除去。
空间排阻色谱法是根据待纯化样品中分子的大小不同来实现分离。和一般液相色谱法不同,空间排阻法采用的填充剂是一种表面惰性、含有许多大小不同的孔洞的立体网状物质。这些孔洞的大小与被分离样品的大小相当,碳纳米管由于分子较大不能进入孔洞而被排斥，随着流动相移动而最先流出;中等大小的分子则渗入到较大孔洞之中,受到较小孔洞的排斥,滞后流出;最小的分子则能渗入到各种尺孔洞之中,，完全不受排斥,最后流出。
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