基于二苯基碳酰二肼超电容炭材料及电解质添加剂的研究

摘要

全球经济的快速发展，化石燃料的消耗和环境污染的加剧，使得寻求高效、清洁、可持续的能源以及能量转换和存储相关的新技术迫在眉睫。在各种不同的电源中，超级电容器作为一种成熟的技术，并具有在能量存储方面取得重大进展的可能性。与传统的电容器相比，超级电容器的特定能量要高几个数量级。超级电容器也有比大多数电池更大的功率密度和更长的循环寿命比，但他们的比电容略低。氮原子掺杂到石墨烯层被认为是消除这一缺点最好的方法来之一。氮掺杂可以产生除了双电层电容之外的赝电容，提高在电极溶液界面润湿性。此外，引进的氮可以诱发大量的碳结构的缺陷进而提高电极的电容。　　众所周知，电解质在超级电容器充放电过程中起到重要的作用。因此，具有良好的电化学性能的电解质对于一个高效的超级电容器是非常重要的。在电解质中添加氧化还原添加剂能够提高超级电容器的比电容。氧化还原添加剂在电极和电解质界面快速可逆的法拉第反应能够贡献额外的赝电容。因此，预计碳基超级电容器的电化学性能可以显著提高。论文的主要研究内容如下:　　1.一个简单的模板炭化方法被用来制备氮掺杂纳米多孔炭材料，其中二苯基碳酰二肼充当碳源和氮源，Mg(OH)2充当硬模板。炭化温度是影响多孔炭结构最重要的因素。800℃炭化质量比为3∶1的二苯基碳酰二肼和Mg(OH)2的得到的carbon-3∶1-800炭材料样品具有最佳的孔结构和最优的电化学性能。它有高达1538.0 m2 g-1的比表面积和3.48 cm3 g-1的大孔容。在以6 mol L-1 KOH为电解质的三电极体系中，carbon-3∶1-800样品表现出非常优秀的电化学性能，在电流密度为1 Ag-1其充放电比电容高达517.4 Fg-1，这比文献报道过的大多数纳米炭材料的比电容要高。此外，carbon-3∶1-800样品还表现出优秀的循环性能。　　2.利用二苯基碳酰二肼充当碳源、六水硝酸镁充当模板，采用直接炭化法制备了多孔炭材料。结果表明，二苯基碳酰二肼和六水硝酸镁的质量比对多孔炭的形貌以及电化学性能有重要影响，当二苯基碳酰二肼和六水硝酸镁的质量比为2∶1时，制备出的多孔炭材料carbon-2∶1样品拥有最大的比表面积，达到1366 m2g-1;总的孔容有0.86 cm3 g-1。在6 mol L-1 KOH电解质的三电极体系中carbon-2∶1样品也表现出良好的循环稳定性和优越的电化学性能——电流密度为1 Ag-1时，质量比电容达到323.5 Fg-1。为了进一步提高carbon-2∶1样品的电化学性能，在基于carbon-2∶1炭材料样品的电极中分别引入8/16/24 mg的二苯基碳酰二肼充当氧化还原添加剂并分别记作carbon-2∶1-8/16/24电极。结果表明，在2 Ag-1时carbon-2∶1-8/16/24的质量比电容分别为345.4，540.9和808.6 Fg-1，分别是原比电容的1.54，2.21和3.53倍。此外，carbon-2∶1-24还表现出较好的电化学稳定性——5000次循环后，质量比电容的保持率达到77.5％。　　3.在这项工作中，阐述了两种新型的氧化还原添加剂二苯基碳酰二肼和二苯基偶氮碳酰肼。在基于炭材料的超级电容器电极中添加氧化还原添加剂后能够发生快速且可逆的氧化还原反应。结果表明4个电子和4个质子的快速转移能够产生额外的赝电容。当引入24 mg的二苯基碳酰二肼或二苯基偶氮碳酰肼到包含24 mg炭的超级电容器电极中，其比电容获得了极大的提升，在电流密度为2 Ag-1时比电容分别达到了544.3和427.6 Fg-1，分别为原比电容（126.1 Fg-1）的4.31和3.39倍。除此之外，经过5000次的充放电循环，在相同电流密度下的比电容保持率分别为78.9％和75.6％。不难发现，添加了氧化还原剂的循环后的充放电比电容的保持率小于未添加氧化还原剂的充放电比电容的保持率(96.8％)，这是因为添加了氧化还原剂的超级电容器循环后其电阻变大的缘故。二苯基碳酰二肼和二苯基偶氮碳酰肼氧化还原添加剂具有廉价、高效和原料易得的特性，可被用于电化学性能要求较高的超级电容器。

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 超级电容器的概述

1．1．1 超级电容器发展简介

1．1．2 超级电容器的主要特点

1．2 电极材料

1．2．1 炭材料

1．2．2 导电聚合物

1．2．3 金属氧化物

1．3 电解质及电解质添加剂

1．3．1 电解质

1．3．2 氧化还原电解质

1．4 超级电容器的应用

1．5 本论文的研究目的和主要内容

第二章 实验方法及原理

2．1 实验主要药品及仪器

2．2 材料的表征方法

2．2．1 X射线衍射

2．2．2 场发射扫描电子显微镜

2．2．3 场发射投射电子显微镜

2．2．4 激光拉曼光谱仪

2．2．5 X射线光电子能谱仪

2．2．6 比表面积(BET)和孔径分析

2．3 电化学性能测试

2．3．1 循环伏安测试

2．3．2 恒电流充放电测试

2．3．3 交流阻抗测试

第三章 基于二苯基碳酰二肼的模板炭化法制备氮掺杂多孔炭材料及其电容性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 carbon-3∶1-700／800／900样品的合成

3．2．2 炭材料电极的制备过程

3．3 结果和讨论

3．4 结论

第四章 二苯基碳酰二肼新型氧化还原添加剂对超电容电化学性能影响的研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 炭材料的合成过程

4．2．2 炭材料电极的制备过程

4．2．3 复合电极的制备过程

4．3 结果与讨论

4．4 结论

第五章 新型氧化还原添加剂对基于炭材料超电容电化学性能影响的研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 炭材料的制备

5．2．2 混合电极的制备

5．3 结果与讨论

5．4 结论

第六章 全文总结与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间获得的成果