互穿聚合物网络炭化法制备分级多孔碳材料及其电化学性能的研究

摘要

本文综述了超级电容器的最新研究进展，重点研究了超级电容器碳材料的制备和结构控制技术的发展现状。系统地研究了碳材料的孔结构与超级电容器的性能之间的关系。这是一个基本但非常重要的科学问题。然而，这个问题只有定性分析或解释，没有实验验证，这归因于系统的复杂性和碳结构的不可控制性。因此，我们提出了一种通过互穿聚合物网络直接炭化制备孔径可控的多孔碳材料的新方法。 本课题的研究以聚合物聚合可控-碳材料结构可控-高性能超级电容器碳电极材料为主线，即以互穿聚合物为前驱体，制备孔径可控的多孔碳材料，该制备方法实现了对大孔、介孔和微孔的控制，并在该方案的基础上控制反应条件，对聚合物形态结构进行控制。并且进一步测试其电容性能，详细的探讨了多孔碳材料结构与电化学储能性能之间的内在联系。主要内容如下： （1）合成孔径和比表面积可控的分级多孔碳是根据一个简单的炭化方法，即采用互穿聚合物直接炭化法炭化由顺序互穿法合成得到的互穿聚合物网络（PF/PAAS-IPNs）。在不同质量比下，PF/PAAS-IPNs所制备的分级多孔碳材料具有可控的孔径和比表面积。其相连的孔结构和优异的电化学性能，可作为电极材料应用于高性能电化学电容器中。相对于HPC-0.5、HPC-1.5和HPC-2，HPC-1碳材料具有最大的比表面积（1764m2g-1）和孔体积（1.111cm3g-1）。将其应用于超级电容器的电极材料中，HPC-1具有最大的比容量值：在6M KOH电解液中，当电流密度为0.5A g-1条件下，比容量的值高达201F g-1。并且HPC-1具有优异的循环稳定性，在6A g-1的电流密度下循环10000次，其容量并无明显的衰减。将HPC-1组装成HPC-1//HPC-1对称型电化学电容器，在以1M Na2SO4为电解液中，电流密度为0.5A g-1的条件下，其比容量的值为77.8F g-1。 （2）将互穿聚合物（PF/PAAS-IPNs）作为前驱体，系统的研究表面硝酸活化对碳材料结构及其电化学性能的影响。活化之后的碳表面由于成功的引入了如-NO2和-OH等含氮含氧官能团，其表面润湿性增强，使得电解液离子与电极材料充分的接触，增加了碳材料表面的利用率。另外，经过硝酸活化处理之后的碳的电容性能明显提升，这是因为亲水性含氧官能团的引入贡献了很大部分的赝电容。最后，硝酸的活化增加了一定的比表面积，形成了大量的微孔与超微孔的孔结构，改善了电容器的稳定性。通过改变硝酸活化时的浓度、时间和温度，成功的制备了高性能的氮掺杂分级多孔碳AHPC8-80-5。所制备的碳材料具有高达2068m2g-1的比表面积以及1.510cm3g-1的孔体积和合适的氮含量（0.25wt%）。AHPC8-80-5具有较高的比容量（305F g-1）、较好的倍率性能（67%的容量保持率）以及良好的循环稳定性（95%的容量保持率）。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 引言

1.2 概述

1.2.1 超级电容器的分类

1.2.2 超级电容器的工作原理

1.2.3 超级电容器的特点

1.2.3 超级电容器的应用

1.3 超级电容器的电极材料

1.3.1 活性碳材料

1.3.2 碳纳米管

1.3.3 石墨烯

1.3.4 碳气凝胶

1.4 分级多孔碳的制备

1.4.1 模板炭化法

1.4.2 传统活化法

1.4.3 聚合物共混炭化法

1.5 互穿聚合物网络

1.6.1 课题的提出

1.6.2 研究的内容

第 2 章 基于 PF/PAAS 互穿聚合物网络制备分级多孔碳及其电化学性能的研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 主要的化学试剂

2.2.2 实验设备

2.2.3 PF/PAAS 基互穿聚合物前驱体的制备

2.2.4 样品的表征分析

2.2.5 电极的制备及超级电容器的组装

2.2.6 电化学性能测试

2.3 结果与讨论

2.3.1 PF/PAAS-IPNs 前驱体的红外光谱表征

2.3.2 PF/PAAS-IPNs 前驱体的热重分析

2.3.3 晶体结构

2.3.4 SEM 分析

2.3.5 TEM 分析

2.3.6 比表面积与孔结构

2.3.7 分级多孔碳材料的电化学性能

2.4 本章小结

第 3 章 氮掺杂分级多孔碳（ AHPC）及其电化学性能的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 主要的实验试剂

3.2.2 实验设备

3.2.3 互穿聚合物网络直接炭化制备分级多孔碳及硝酸活化处理

3.2.4 材料的表征方法

3.2.5 电化学性能测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 HPC和AHPC8-80-5的FTIR与Roman表征

3.3.2 HPC 和 AHPC8-80-5 的 SEM 表征

3.3.3 HPC 和 AHPC8-80-5 的孔结构表征

3.3.4 HPC 和 AHPC8-80-5 的 XPS 表征

3.3.5 HPC 和 AHPC8-80-5 的电化学性能

3.4 本章小结

结论与展望

结论

研究展望

参考文献

致谢

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