水溶性壳聚糖制备多孔碳基复合材料及其超电容性质

摘要

超级电容器又称电化学电容器，因其具有比电容大、循环寿命长、工作原理简单以及功率密度高等特点而受到越来越多的关注，并作与二次电池联用而被广泛的研究。多孔碳由于其具有高的比表面积、优异的电化学性能以及低廉的成本，成为应用最广泛的一种超级电容器电极材料。而过渡金属氧化物电极材料以其更高的比电容也得到了研究者们的关注。近来，利用生物质直接碳化制备多孔碳材料也是一个研究的热点，生物质的种类多样且价格低廉，其中壳聚糖是自然界中含量仅次于纤维素的第二大类多糖。本文选用水溶性的壳聚糖为碳源制备多孔碳基复合超级电容器电极材料，具体内容如下：
　　 (1)直接碳化水溶性壳聚糖制备富含介孔的多孔碳材料，并探讨了不同的碳化温度以及造孔剂的加入对多孔碳材料电容行为的影响。结果显示：在800℃下碳化生成的多孔碳材料具有最大的比电容，可达225 F·g-1，经过1500圈循环后电容保持率可达98％左右。造孔剂Fe的加入可以提高多孔碳的介孔含量以及导电性能，造孔后所得的多孔碳电极材料的比电容为289F·g-1，1500圈循环后比电容仅衰减3％。
　　 (2)采用原位复合的方法制备了多孔碳/NiO以及多孔碳/Co3O4复合材料，并研究了过渡金属的含量对于复合材料超电容行为的影响。当过渡金属与碳的质量比为1:10时，多孔碳/NiO和多孔碳/Co3O4复合材料在0.1 A·g-1电流密度下的比电容分别为355和422 F·g-1，当电流密度增大为2 A·g-1后，比电容分别下降了30.7％和48.3％。多孔碳/NiO具有优异的充放电循环稳定性，1500次循环之后电容保持率可达99％。
　　 (3)原位合成了多孔碳/钴-镍二元氧化物复合材料，并探讨了不同的Co/Ni质量比对于复合材料最终电化学性能的影响。其中，Co/Ni质量比为1:8时，多孔碳/钴-镍二元氧化物复合材料的比电容最大，为842 F·g-1，并且材料具有最好的循环稳定性。