超级电容器用层次多孔炭材料的制备及其性能优化

摘要

活性多孔炭因具有良好的导电性，优良的物理化学稳定性，以及相对低廉的价格等优点而成为使用最广泛的超级电容器电极材料。但它以微孔为主，由于离子在弯曲而不规则的微孔中传输较慢，甚至无法到达某些微孔深处，因此限制了其有效利用率，也影响了其倍率性能和功率特性。但如果对其孔结构进行有效的设计，使之具备微孔、介孔和大孔分级孔组合的层次多孔结构，其中大孔可作为离子缓冲池缩短离子扩散的距离，介孔可以促进双电层的形成，并减小离子传输的阻抗，而微孔则可为双电层电容的形成提供主要场所，从而获得高性能的新型超级电容器用炭材料。因此，本论文设计并制备了具有微孔、介孔和大孔分级孔组合的层次多孔炭材料，且在此基础上，通过对材料进行结构优化和改性研究，显著改进了其性能，取得了一系列有意义的成果。本论文的主要研究工作如下：
　　(1)将碳化铬在700℃氯化反应3 h后，用浓度为16 mol L-1的硝酸进一步处理得到了具有表面官能团的层次多孔碳化铬衍生炭，并探讨了活化工艺条件对所制备的层次多孔碳化铬衍生炭结构和性能的影响。研究表明，所得碳化铬衍生炭材料具有微孔、介孔和大孔分级孔组合的层次多孔结构，经硝酸处理后所得到的表面官能团修饰的层次多孔碳化铬衍生炭材料的比表面积和孔容降低了，但电化学性能却提高了，因为其表面的官能团能提高材料的亲水性，并增加其赝电容。在100 ℃硝酸处理所得到的层次多孔碳化铬衍生炭C(Cr3C2)-M100在扫描速率为5 mV s-1时的比电容为209 F g-1，在电流密度为1 A g-1时的比电容为206.5 F g-1，在5000次恒流充/放电循环后的比电容保持率可达90％。
　　(2)以糠醇为碳源，以十六烷基三甲基溴化铵、聚丙烯酸、正硅酸乙酯为模板，在水热条件下合成了内部孔道互通的层次多孔炭微球(HPCMS)，并探讨了原料配比对所合成材料结构和电化学性能的影响。研究发现，当糠醇与正硅酸乙酯摩尔比为2:1时，所得层次多孔炭微球HPCMS-2的比表面积最大(709 m2 g-1)，电化学性能也最好。HPCMS-2电极材料在扫描速率为5mV s-1时比电容为171 F g-1，在电流密度为1 A g-1时比电容为221 F g-1。以HPCMS-2为电极材料组装成的超级电容器经5000次循环后，其比电容仍能保持在50 F g-1。
　　(3)以二氧化硅微球纳米阵列为硬模板，以三嵌段共聚物PEO20PPO70PEO20(P123)为软模板，以蔗糖为碳源，成功合成了三维有序层次多孔炭材料(3D HOPC)，并探讨了所用二氧化硅微球的粒径对所合成材料结构和电化学性能的影响。研究发现，当二氧化硅微球粒径为80 nm时，所合成的三维有序层次多孔炭材料3D HOPC-80的比表面积最高(709 m2 g-1)，电化学性能也最好。3D HOPC-80电极材料在扫描速率为5 mV s-1和电流密度为1 A g-1时的比电容分别高达243.5 F g-1和247 F g-1。以3D HOPC-80为电极材料组装而成的超级电容器，经历10000次循环后比电容保持率可达91％。
　　(4)通过在三维有序大孔炭材料表面包覆聚苯胺并碳化，再对其进行 KOH活化处理，成功地得到了具有表面官能团的三维层次多孔炭材料(N-3DHPC)。结果表明，它基本保留了原始三维大孔炭材料的形貌，比表面积高达1084 m2 g-1。以N-3DHPC为电极材料组装成的超级电容器在电流密度为1 A g-1时，比电容高达77.1 F g-1。其在10000次循环之后的比电容仍能维持在76.1 F g-1，比电容保持率高达96％。当它的功率密度为500 W kg-1时，其能量密度高达10.7 Wh kg-1；当其功率密度为5000 W kg-1时，其能量密度仍可达9.0 Wh kg-1。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 概述

1.3 超级电容器电极材料

1.4 超级电容器电解液

1.5 层次多孔炭材料的发展

1.6 本论文的研究意义与主要研究内容

第2章 实验仪器药品以及测试方法

2.1 主要仪器和试剂

2.2 超级电容器电极材料物理性能的表征

2.3 超级电容器电化学性能测试方法及原理

2.4 电极的制备以及超级电容器的组装

第3章 层次多孔碳化铬衍生炭的制备及其电化学性能研究

3.1 引言

3.2 实验

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 层次多孔炭微球的制备及其电化学性能研究

4.1 引言

4.2 实验

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 三维有序层次多孔炭的制备及其电化学性能研究

5.1 引言

5.2 实验

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第6章 表面修饰的三维有序层次多孔炭的制备及其电化学性能研究

6.1 引言

6.2 实验

6.3 结果与讨论

6.4 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

个人简历

硕士期间公开发表的论文