炭气凝胶的常压干燥制备及其超电容行为

摘要

本文主要围绕如何在常压下制备超电容器用炭气凝胶进行研究,目的是提高炭气凝胶的比电容和简化制备工艺.具体的说包括以下四个方面: 1.醋酸钠作为一个新型的聚合催化剂,用来在常压干燥下制备了炭气凝胶,从而取代了超临界干燥,缩短了聚合时间.考察了催化剂的浓度、裂化温度、丙酮交换和电解液种类等对比电容的影响.通过扫描电子显微镜、循环伏安、交流阻抗和计时电势法对样品表面形貌和电化学性质进行了表征.结果表明醋酸钠不仅导致了互联的纳米粒子,连通的孔结构,而且导致了电容的提升.炭气凝胶的比电容高达296F/g. 2.在高的催化剂浓度下,过氧化合物在聚合过程中用作新的添加剂,实现了常压干燥取代超临界干燥来制备炭气凝胶.通过改变催化剂浓度和过氧化合物含量,研究了炭气凝胶比电容的变化.样品的物理性质和电化学性能通过扫描电子显微镜、氮吸附、循环伏安、交流阻抗和计时电势法进行了表征.结果显示过氧化合物在防止气凝胶的收缩、形成交联的微球、增加比表面和改进电化学性质方面起到了关键的作用.通过使用过氧化合物作为添加剂,炭气凝胶的比电容从85F/g增加至 256F/g. 3.通过冰冻前处理方法取代超临界干燥制备了超电容器用炭气凝胶.选用了三种类型的催化剂碳酸钠(无机碱类)、硫酸(酸类)、碳酰胺(胺类).通过优化R/C,R/W等条件,制备出高比电容的炭气凝胶.样品的物理性质和电化学性能通过亚甲基蓝比表面测试、循环伏安和交流阻抗法进行了表征.研究了比表面和比电容之间的关系,细致的研究了冰冻处理前后,以三种催化剂制备的炭气凝胶的比电容的变化.结果显示,碳酰胺催化下经过冷冻前处理制备的炭气凝胶有很高的比电容和低的内阻. 4.分别采用掺杂金属铅和锌的方法,在常压下制备了超电容器电极材料炭气凝胶.通过调节金属的含量优化了制备工艺.通过扫描电镜照片讨论了材料微结构对比电容的影响;通过循环伏安曲线研究了材料的电容特性;通过交流阻抗法研究了材料的电阻.所制备的材料具备典型的超电容性能,材料的电导率得到了改善,比电容也得到了显著的提高.分别采用以氧化钕和氧化钽来复合炭气凝胶的方法,用循环伏安法计算了电容值,用交流阻抗方法定性的分析了电阻.结果显示,制备的材料有较高的比电容和较低的内阻.通过调节金属氧化物含量,优化了制备条件.

目录

文摘

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致谢

第一章绪论

1.1炭气凝胶材料的特性、应用及制备

1.1.1气凝胶的简介

1.1.2炭气凝胶材料的特性及应用

1.1.3炭气凝胶材料的制备方法

1.2超级电容器的特性、应用及展望

1.2.1超级电容器的特点

1.2.2超级电容器的应用和展望

1.3炭气凝胶在超级电容器上的应用

1.3.1超电容器的分类

1.3.2炭气凝胶作为超级电容器电极材料的优势

1.3.3炭气凝胶用于超级电容器的研究概况

1.4本论文的主要思路和研究内容

第二章醋酸盐催化下炭气凝胶的制备及超电容性能

2.1炭气凝胶的制备和表征

2.2醋酸钾催化下炭气凝胶的超电容性能

2.1.1比电容与醋酸钾的浓度关系

2.2.2丙酮交换的影响

2.2.3电化学特性曲线

2.2.4循环寿命

2.3醋酸钠催化下炭气凝胶的超电容性能

2.3.1丙酮交换的影响

2.3.2形貌表征

2.3.3不同电解质的影响

2.3.4比电容与醋酸钠的浓度关系

2.3.5比电容与热解终温的关系

2.3.6电化学特性和循环寿命

2.4本章小结

第三章过氧化合物作用下炭气凝胶的制备及超电容性能

3.1炭气凝胶的制备和表征

3.2碳酸钠催化下添加过氧化合物时炭气凝胶的超电容性能

3.2.1表面形貌分析

3.2.2氮吸附测试

3.2.3不同碳酸钠浓度时添加过氧化合物对电化学性能的影响

3.2.4不同过氧化合物浓度对电化学性能的影响

3.3碳酸氢钠催化下添加过氧化合物时炭气凝胶的超电容性能

3.3.1不同碳酸氢钠浓度时加过氧化合物对比电容的影响

3.3.2过氧化合物浓度对比电容的影响

3.3.3电化学特性曲线

3.3.4不同催化剂种类下过氧化合物对样品比电容的影响

3.4本章小结

第四章冷冻炭气凝胶的制备及超电容性能

4.1冷冻炭气凝胶的制备与表征

4.2硫酸催化下冷冻炭气凝胶的超电容性能

4.2.1硫酸浓度对冷冻炭气凝胶比电容和比表面的影响

4.2.2冷冻前处理对材料比电容的影响

4.2.3冷冻前处理获得的样品的电化学特性曲线

4.3碳酸钠催化下冷冻炭气凝胶的超电容性能

4.3.1碳酸钠浓度对冷冻炭气凝胶的比电容和比表面的影响

4.3.2碳酸钠为催化剂时气凝胶和炭气凝胶的密度

4.3.3冷冻前处理对材料比电容的影响

4.3.4冷冻前处理获得的样品的电化学特性曲线

4.4碳酰胺催化下冷冻炭气凝胶的超电容性能

4.4.1碳酰胺浓度对冷冻炭气凝胶比电容和比表面的影响

4.4.2冷冻前处理对材料比电容的影响

4.4.3冷冻前处理获得的样品的电化学特性曲线

4.5本章小结

第五章金属掺杂炭气凝胶与复合电极材料的制备及超电容性能

5.1金属掺杂炭气凝胶及复合材料的制备和表征

5.1.1金属掺杂炭气凝胶的制备和表征

5.1.2复合电极材料的制备和表征

5.2金属掺杂炭气凝胶的超电容性能

5.2.1掺杂的炭气凝胶的形貌表征

5.2.2掺杂的炭气凝胶的循环伏安特性曲线

5.2.3掺杂金属的量对炭气凝胶性能影响

5.2.4循环伏安曲线形状与扫描圈数的关系

5.2.5掺杂的炭气凝胶的交流阻抗图

5.3复合电极材料的超电容性能

5.3.1金属氧化物的含量对复合电极比电容的影响

5.3.2复合电极循环伏安特性曲线

5.3.3复合电极的交流阻抗分析

5.4本章小结

第六章结论

参考文献

附录：攻读硕士学位期间完成的论文