炭气凝胶高效快速制备及其在超电容器中的应用

摘要

炭气凝胶是一种多孔炭材料,具有可控的三维网络结构和良好的导电性,是超级电容器理想的电极材料。近年来备受关注,已成为研究的热点。本文选用间苯二酚(R)和甲醛(F)为原料,十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为表面活性剂,分别以羟酸(A)和羧酸(B)作催化剂制备有机凝胶,再通过常压干燥、高温炭化获得具有较高比电容的炭气凝胶。实现了炭气凝胶的高效、快速制备。
　　 探索了催化剂种类、催化剂用量、凝胶老化时间和KOH活化等因素对炭气凝胶比电容值的影响。研究了电解液种类、电解液浓度以及测试温度等条件对炭气凝胶电化学性能的影响。组装了炭气凝胶基钮扣型超级电容器,并测试其电化学性能。文中采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、低温N2吸附、亚甲基蓝吸附等方法表征了炭气凝胶材料的微观形貌、物相、比表面积和孔结构。通过傅里叶红外光谱测试和热重分析研究了炭气凝胶制备的微观过程。利用循环伏安(CV)、恒流充放电和交流阻抗(EIS)技术表征炭气凝胶的电化学性能。
　　 结果表明,羟酸(A)作用下制备的炭气凝胶呈现均匀的微球形状,颗粒直径主要在2μm-4μm范围,属于无定形炭,其BET比表面积为720m2/g。高倍率充放电性能良好,扫描速度为1000mV/s时的比电容值仍然保持在100mV/s时比电容值的85％以上。KOH活化能有效的提高炭气凝胶的比电容值。
　　 羧酸(B)作用下制备的炭气凝胶BET表面积高达1746.6m2/g。当R/C=750、凝胶老化时间为24h时,所制备的炭气凝胶表现出相对较好的电化学性能。1000次循环后,比电容值下降不到5％。相同条件下,炭气凝胶单电极在硫酸电解液中的比电容最大,KOH电解液中比电容值次之,KCI电解液中比电容值相对较小。以1.2mol/L MeEt3NBF4作电解液时,以上述两类炭气凝胶为电极材料组装的钮扣型超电容器均具有良好的循环伏安性能和较小的电化学阻抗。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录

致谢

第一章 绪论

1.1 超级电容器概述

1.1.1 超级电容器的工作原理

1.1.2 超级电容器的分类

1.1.3 超级电容器电极材料

1.2 炭气凝胶研究概况

1.2.1 炭气凝胶发展简介

1.2.2 炭气凝胶制备过程

1.3 本论文的目的、意义和主要研究内容

第二章 炭气凝胶的制备及性能测试方法

2.1 实验主要试剂及仪器

2.1.1 试剂药品

2.1.2 仪器设备

2.2 炭气凝胶的实验制备

2.3 材料结构与形貌的表征方法

2.3.1 扫描电镜表征

2.3.2 凝胶的热重分析

2.3.3 X射线衍射测试

2.3.4 低温N2吸附

2.3.5 亚甲基蓝吸附测试

2.3.6 傅里叶红外光谱测试

2.4 炭气凝胶电化学性能的测试方法

2.4.1 炭气凝胶工作电极的制作

2.4.2 炭气凝胶的电化学测试方法

第三章 羟酸作用下炭气凝胶的制备及表征

3.1 引言

3.2 羟酸作用下炭气凝胶的制备

3.3 结果与讨论

3.3.1 炭气凝胶微观结构的分析

3.3.2 炭气凝胶材料的电化学性能表征

3.4 本章小结

第四章 羧酸作用下炭气凝胶的制备

4.1 引言

4.2 羧酸作添加剂炭气凝胶的制备

4.3 结果与讨论

4.3.1 炭气凝胶形貌的表征

4.3.2 合成工艺对炭气凝胶电化学性能的影响

4.3.3 电解液对炭气凝胶电化学性能的影响

4.4 本章小结

第五章 炭气凝胶基超电容器的组装与测试

5.1 引言

5.2 钮扣型超电容器的组装与测试

5.1.1 电极的制备

5.1.2 钮扣型超电容器的组装

5.1.3 超电容器电化学性能测试

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第六章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及获奖情况