本文選題：超級電容器 + 模板法��； 參考：《哈爾濱工程大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：超級電容器具有較高的功率密度、優(yōu)異的倍率性能、快速充/放電特性、超長的循環(huán)壽命以及原理簡單、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),因此在世界范圍內(nèi)引起了科研工作者的廣泛關(guān)注。炭材料具有較高的比表面積及良好的導(dǎo)電性被廣泛應(yīng)用于超級電容器的電極材料。研究表明,炭材料的電化學(xué)性能與其比表面積、孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。本論文采用不同的模板制備了具有不同形貌和孔結(jié)構(gòu)的多孔炭材料,并采用掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線衍射、拉曼光譜、X射線光電子能譜等技術(shù)對多孔炭材料的微觀結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)進(jìn)行表征,采用循環(huán)伏安法、恒流充放電法及交流阻抗法詳細(xì)研究了電極材料的電化學(xué)性能。以中孔SiO_2為模板,以瀝青為碳源經(jīng)過高溫碳化制備了中孔炭材料(MCSF)。結(jié)果表明,制備的MCSF具有較高的比表面積(582 m2·g-1)。當(dāng)掃描速度為5 mV·s-1時,MCSF電極比容量最高可達(dá)264 F·g-1;當(dāng)掃描速度增大至1000 mV·s-1時其比容量為194 F·g-1,保持率為74%,表明該電極材料具有優(yōu)異的倍率特性。連續(xù)循環(huán)5000次后其比容量僅衰減了 9%,說明MCSF具有優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性。組裝的對稱電容器能量密度可達(dá)9.6 Wh·kg-1,其最大功率密度可達(dá)119.4 kW·kg-1。以CNTs/MnO_2為模板,以C_2H_2為碳源,采用化學(xué)氣相沉積法制備了 CNT-HCS。研究結(jié)果表明,CNT-HCS的比表面積可達(dá)500.6 m2·g-1。當(dāng)電流密度為0.5 A·g-1時,其比容量可達(dá)201.5 F·g-1。另外,CNT-HCS電極具有優(yōu)異的倍率特性,當(dāng)電流密度升高到20 A·g-1時,比容量仍能保持69%。組裝的對稱電容器能量密度最高可達(dá)11.3 Wh·kg-1。分別以花瓣狀ZnO、瀝青、KOH為模板、碳源和活化劑,采用高溫碳化、活化的方法制備了具有花瓣狀結(jié)構(gòu)的分層次多孔炭材料(FHPC)。當(dāng)掃描速度為2 mV·s-1時FHPC電極的比容量可達(dá)294 F·g-1。當(dāng)掃描速度為500 mV·s-1時,比容量仍能保持71%,說明FHPC電極具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。組裝的FHPC//FHPC對稱電容器在1 mol·L-1 Na_2SO_4溶液中能量密度可達(dá)15.9Wh·kg-1。由于其優(yōu)異的倍率特性,對稱電容器的功率密度可達(dá)222kW·kg-1。采用Mg(OH)2為模板在低溫下制備了富含含氧官能團(tuán)的石墨烯FGN-300。系統(tǒng)研究了熱處理溫度對材料表面化學(xué)性質(zhì)及電化學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明,當(dāng)熱處理溫度為300℃時材料具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。FGN-300不僅具有較高的質(zhì)量比容量而且具有很高的體積比容量,在6 mol·L-1 KOH溶液中其積比容量可達(dá)470 F·cm-3。另外,組裝的對稱電容器在水性電解液中具有超高的體積能量密度(27.2 Wh·L-1)和較高的循環(huán)穩(wěn)定性,循環(huán)10000次后,其比容量是初始容量的134%。優(yōu)異的電化學(xué)性能主要?dú)w因于其較高的有效比表面積、較低的孔體積以及穩(wěn)定的含氧官能團(tuán)。因此,FGN-300有望滿足對緊湊型便攜式能量存儲裝置的需求。以石墨烯/中孔SiO_2為模板,采用原位聚合法制備了石墨烯/中孔聚苯胺復(fù)合材料(G-mPANI)。研究發(fā)現(xiàn),制備的G-mPANI呈現(xiàn)較薄的片層結(jié)構(gòu),表面上包覆的PANI具有相互連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并且G-mPANI中存在大量中孔結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明,G-mPANI具有較高的比容量、優(yōu)異的倍率特性和循環(huán)穩(wěn)定性,當(dāng)電流密度為0.5 A·g-1時其比容量可達(dá)749 F·g-1。優(yōu)異的電化學(xué)性能主要?dú)w因于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。此外,采用高溫碳化的方法制備了氮摻雜多孔石墨烯(NPCG)。探討了不同碳化溫度對材料結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)性質(zhì)及電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明當(dāng)碳化溫度為700℃時制備的炭材料(NPCG-700)具有較高的比表面積,呈現(xiàn)相互連接的多孔結(jié)構(gòu),而且氮含量較高。NPCG-700電極在2 mV·s-1時質(zhì)量比容量可達(dá)305 F·g-1。NPCG-700電極具有較高的體積比容量和體積能量密度,分別為287 F·cm-3和15.3 Wh·L-1。以上研究結(jié)果表明,摻雜氮原子是一種有效提高材料比容量的方法。
[Abstract]:Supercapacitors have high power density, excellent multiplier performance, fast charge / discharge characteristics, super long cycle life, simple principle and low maintenance cost, so it has aroused widespread concern in the world. Carbon materials have high specific surface area and good conductivity, which are widely used in super power. The study shows that the electrochemical properties of carbon materials are closely related to the surface area, pore structure and surface chemical properties. This paper uses different templates to prepare porous carbon materials with different morphology and pore structure, and uses scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, X ray diffraction, Raman spectroscopy, and X shooting. The microstructure and surface properties of porous carbon materials were characterized by linear photoelectron spectroscopy. The electrochemical properties of the electrode materials were studied in detail by cyclic voltammetry, constant current charge discharge and impedance method. The mesoporous carbon materials (MCSF) were prepared by high temperature carbonization with mesoporous SiO_2 as the carbon source. The results showed that the carbon material was prepared by high temperature carbonization. The prepared MCSF has a high specific surface area (582 m2. G-1). When the scanning speed is 5 mV. S-1, the specific capacity of the MCSF electrode is up to 264 F. G-1. When the scanning speed increases to 1000 mV s-1, the specific capacity is 194 F. The retention rate is 74%, indicating that the electrode material has excellent multiplier properties. After 5000 times of continuous cycle, its specific capacity attenuates only. 9%, it shows that MCSF has excellent electrochemical stability. The energy density of the assembled symmetric capacitor can reach 9.6 Wh. Kg-1. The maximum power density can reach 119.4 kW. Kg-1. with CNTs/MnO_2 as the template and C_2H_2 as the carbon source. The results of CNT-HCS. study by chemical vapor deposition show that the specific surface area of CNT-HCS can reach 500.6 m2. G-1. when When the current density is 0.5 A. G-1, its specific capacity is up to 201.5 F. G-1., and the CNT-HCS electrode has excellent multiplier characteristics. When the current density rises to 20 A. G-1, the maximum energy density of the symmetrical capacitor which can maintain 69%. assembly can be up to 11.3 Wh. Kg-1. with petal ZnO, bitumen, KOH as templates, carbon sources and activators, respectively. The layered porous carbon material (FHPC) with petal structure is prepared by high temperature carbonization and activation. When the scanning speed is 2 mV. S-1, the specific capacity of FHPC electrode can reach 294 F. G-1. when the scanning speed is 500 mV. S-1, the specific capacity can remain 71%, indicating that the FHPC electrode has excellent electrochemical properties. The assembled FHPC//FHPC symmetric capacitance is the same. The energy density of the apparatus in 1 mol L-1 Na_2SO_4 solution can reach 15.9Wh. Kg-1. due to its excellent multiplier property, the power density of the symmetric capacitor can reach 222kW. Kg-1. with Mg (OH) 2 as a template. The graphene FGN-300. system rich in oxygen rich functional groups is prepared at low temperature to study the chemical properties and electrochemistry of the material surface on the surface of the material. The results show that when the heat treatment temperature is 300 C, the material has excellent electrochemical performance.FGN-300 not only has high mass specific capacity but also has a high volume specific capacity, and the volume of the product can reach 470 F. Cm-3. in 6 mol L-1 KOH solution, and the assembled symmetric capacitor is in the water electrolyte. Ultra high volume energy density (27.2 Wh. L-1) and high cyclic stability. After 10000 cycles, the excellent electrochemical performance of its specific capacity is the initial capacity of 134%., mainly due to its higher effective specific surface area, lower pore volume and stable oxygen functional group. Because of this, FGN-300 is expected to meet the compact type of portable energy storage. The needs of the storage device. Graphene / mesoporous SiO_2 is used as a template to prepare graphene / mesoporous polyaniline composite (G-mPANI) by in situ polymerization. The study shows that the prepared G-mPANI is thin layer structure, the coated PANI has a interconnected network structure and a large number of mesoporous structures exist in G-mPANI. The results show that G- MPANI has high specific capacity, excellent multiplier characteristics and cyclic stability. When the current density is 0.5 A. G-1, the excellent electrochemical performance of its specific capacity up to 749 F. G-1. is mainly attributable to its unique structural characteristics. In addition, nitrogen doped polypore graphene (NPCG) is prepared by high temperature carbonization. The different carbonization temperature is discussed. The effect of material structure, surface chemical properties and electrochemical properties. The results show that the carbon material (NPCG-700) prepared at 700 C has a high specific surface area, a porous structure connected with each other, and the higher nitrogen content.NPCG-700 electrode has a higher mass ratio capacity of 305 F. G-1.NPCG-700 electrode at 2 mV. The volume specific capacity and volume energy density of 287 F. Cm-3 and 15.3 Wh. L-1. respectively show that the doping of nitrogen atom is an effective method to improve the specific capacity of the material.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM53;TQ127.11

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本文編號：2100587