含氮多孔炭材料的制备及电容性能研究

摘要

超级电容器作为近些年兴起的一类新型储能装置，因兼具传统电容器和二次单电池的优点而引起了研究者们越来越多的重视。超级电容器不仅循环寿命长，工作范围宽，而且能快速充放电，瞬间释放很大的电流，具有高功率密度的特性，因此其具有广泛的应用领域和巨大的市场前景。目前，炭材料是所有超级电容器电极材料之中使用最多的一类材料，其具有比表面积大，孔径及表面电化学性质可控等优点。另外，碳源丰富，制备工艺简单实用，因此，很多科研工作者都对其进行过研究，但对于制备具有高比容量、高功率密度的炭材料还需深入的研究。
　　本论文主要从本体含氮炭前躯体的选择、炭化及孔结构的优化方面入手，从而对炭材料的电化学性能进行优化，制备了具有高容量、高功率密度的多孔含氮碳材料，主要研究内容如下：
　　选用废弃鸡毛作为碳源，将其在450oC炭化为微孔材料，再用五种不同比例的KOH在800oC对其进行活化，制备了含有介孔和微孔的炭材料。用HR-TEM、氮气吸脱附等测试对炭材料活化前后的孔结构进行了表征，其中以活化剂与炭材料质量比为4:1活化时制备的炭材料（标记为CFCA4）微孔比表面积达到了1575m2/g，平均孔径为1.863nm。电化学性能测试表明CFCA4炭材料表现出最好的电化学性能：1A/g电流密度下，平均比电容高达253F/g，能量密度可达7.98Wh/kg；10A/g电流密度下，比电容仍保持在167F/g，其功率密度为8.35kW/kg。
　　以廉价聚丙烯腈(PAN)和聚氨酯(TPU)为本体含氮碳源，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和原硅酸四乙酯(TEOS)分别为软模板和硬模板，通过静电纺丝技术将其混合液纺成纳米纤维，再在高温下炭化后消除硬模板，制备成含氮层次多孔炭材料。实验中，通过改变双模板的用量和所添加的TPU质量分数来改善层次多孔炭材料(HPCFs)的电化学性能。对所制备的炭材料进行孔结构测试表明，用15/15％双模板制备的HPCFs(记为HPCF15)和添加10%TPU后制备的HPCFs(记为PT10)具有合适的BET比表面积和微孔比表面积；对其进行电化学测试，结果表明，HPCF15和PT10在1A/g电流密度下，最高比电容分别为170和195F/g，经8000次循环后，HPCF15容量衰减仅为5.8%，而PT10衰减了约9.8%；在10A/g的电流密度下，HPCF15和PT10比电容仍保持在150和126F/g。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 超级电容器概述

1.3 炭基超级电容器电极材料的研究进展

1.5 影响炭基超级电容器比电容的因素

1.6本论文的选题意义及研究内容

第2章 实验仪器药品以及测试方法

2.1 引言

2.2 主要实验仪器和实验材料

2.3 电极材料物理性能表征方法及原理

2.4 电极材料电化学性能测试方法及原理

2.5 电极的制备和超级电容器的组装

第3章 微孔鸡毛活性炭的制备及电化学性能研究

3.1 引言

3.2 微孔鸡毛活性炭的制备

3.3 微孔鸡毛活性炭材料物理结构表征及分析

3.4 微孔鸡毛活性炭材料的电化学性能表征及分析

3.5 本章小结

第4章 PAN基层次多孔炭纳米纤维的制备及电化学性能研究

4.1引言

4.2 PAN基层次多孔炭纳米纤维的制备

4.3 PAN基层次多孔炭纳米纤维的物理结构表征及分析

4.4 PAN基层次多孔炭纳米纤维的电化学性能表征及分析

4.5 本章小结

第5章 TPU掺杂层次多孔炭材料的制备及其电化学性能

5.1 引言

5.2 TPU掺杂层次多孔炭材料的制备

5.3 TPU掺杂PAN基层次多孔炭纳米纤维的物理结构表征及分析

5.4 TPU掺杂层次多孔炭纳米纤维的电化学性能表征及分析

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士期间公开发表的论文及专利