【摘要】：雜原子多孔炭材料由于價廉易得、化學穩(wěn)定性高、比表面積大及使用溫度范圍廣等優(yōu)點,作為超級電容器電極材料具有獨特的優(yōu)勢。超級電容器的性能與電極材料的孔隙結(jié)構(gòu)、表面/體相官能團、體相的導電性能等性質(zhì)直接相關(guān)。目前,制備雜原子多孔炭材料的方法仍有各種問題:(1)碳前驅(qū)體合成過程復雜或分子組成不固定造成雜原子摻雜炭材料制備過程能耗高,雜原子種類和含量不可控;(2)制備的炭材料孔徑單一;(3)雜原子炭材料制備過程繁瑣,且會帶來環(huán)境污染。因此,簡便、綠色的制備高性能的多級孔結(jié)構(gòu)的雜原子摻雜多孔炭材料仍面臨挑戰(zhàn)。本課題以吩噻嗪和葡甲胺的質(zhì)子化離子液體為前驅(qū)體,通過多種方法制備結(jié)構(gòu)各異的雜原子摻雜多孔炭材料,系統(tǒng)的研究了雜原子摻雜及不同孔隙結(jié)構(gòu)的炭材料對超級電容器電化學性能的影響。具體工作如下:(1)質(zhì)子化離子液體基N/S共摻雜多孔超級電容器炭電極材料。采用分子結(jié)構(gòu)中含有N、S元素的吩噻嗪質(zhì)子化離子液體([Phne][HSO_4])為原料制備高電容性能的超級電容器炭電極材料。[Phne][HSO_4]經(jīng)過700℃熱解后再經(jīng)700℃KOH活化制備的炭材料,具備高比表面積(2010 m~2 g~(-1))、大的孔體積(0.76 cm~3 g~(-1))和微孔體積、高的N、S百分含量(N:2.47 wt.%,S:6.04 wt.%);在堿性電解液中,當0.2 A g~(-1)時其電容性能可達到430 F g~(-1)。豐富的微孔有效提供雙電層電容,N、S雜原子摻雜的協(xié)同效應增強炭材料導電性同時提供贗電容,這有利于炭材料電容性能的提升。(2)雙軟模板法制備質(zhì)子化離子液體基N/S共摻雜分級多孔超級電容器炭電極材料。仍選取[Phne][HSO_4]為原料,以F127和OP-10分別作為介孔和大孔軟模板,經(jīng)蒸發(fā)誘導自組裝后一步碳化直接制備N/S共摻雜分級多孔炭材料。在熱解過程中,[Phne][HSO_4]不僅可以作為碳源、氮源和硫源,而且由于NH_3、SO_2的釋放可產(chǎn)生部分微孔,因此自身可作為微孔致孔劑,而F127和OP-10在350℃左右被去除留下介孔和大孔,從而一步制得N/S共摻雜分級多孔炭材料。通過調(diào)節(jié)[Phne][HSO_4]與F127、OP-10的比例可得到系列多孔炭材料,其中比例為15:20:1時得到的炭材料顯示了高比表面積(575 m~2g~(-1))、大的孔體積(0.55 cm~3g~(-1))、同時具備微孔、介孔、大孔分級孔結(jié)構(gòu)和高的N、S含量(N:3.41 at.%,S:6.65 at.%)。在6 M KOH電解液中,電流密度為1 A g~(-1)時比電容可達到302 F g~(-1),電流密度為10 A g~(-1)時比電容仍然可達到169 F g~(-1),經(jīng)過5000次循環(huán)后電容仍可保留98%。同時,在1 M Na_2SO_4電解液中,呈現(xiàn)優(yōu)異的倍率特性(70%)。合理的孔隙結(jié)構(gòu)減短傳輸路徑,N、S雜原子摻雜的協(xié)同效應增強炭材料導電性同時提供贗電容,顯著提升N/S共摻雜分級多孔炭材料電化學性能。(3)免溶劑自組裝制備質(zhì)子化離子液體基N/S共摻雜分級多孔炭材料應用于耐溫和柔性超級電容器。采用葡甲胺的質(zhì)子化離子液體([Megl][HSO_4])為原料及微孔致孔劑,以F127和十二烷基硫酸鈉分別作為介孔和大孔軟模板,按一定比例固體混合后反應釜固化,再高溫熱解制備介孔炭納米球與褶狀結(jié)構(gòu)相結(jié)合的N/S共摻雜分級多孔炭材料,方法簡單、環(huán)境污染小。通過調(diào)節(jié)固化溫度和炭化溫度可得到結(jié)構(gòu)和電化學性能各異的炭材料。當熱處理溫度為160℃,炭化溫度為900℃時得到的樣品性能最佳。在堿性電解液中,當0.5 A g~(-1)時比電容可達到347 F g~(-1),電流密度為20 A g~(-1)時比電容仍然可維持174 F g~(-1),經(jīng)過5000次循環(huán)后電容仍保留99%。更重要的是,最佳的樣品在極端溫度和彎折的情況下仍然保持卓越的性能。同時,在中性電解液中,當0.5 A g~(-1)時,其比電容可高達到144 F g~(-1)。因此,綠色,簡單的雙軟模板免溶劑自組裝技術(shù)為制備高性能N/S共摻雜分級多孔炭材料提供了新思路。
【圖文】：

圖 1-1 表面活性劑軟模板法制備有序介孔聚合物樹脂和炭骨架的方案[16]。.2.2 硬模板法模板法是構(gòu)建多孔炭材料的有效途徑。硬模板通常是實心球或多孔物質(zhì)。實心如二氧化硅顆粒[10,19,20]、沸石和 NaCO[14]，會形成規(guī)則的球形孔；而多孔模板

圖 1-2 硬模板法制備多孔炭材料的示意圖[7]。1.2.3 活化法除模板法外，活化法通常用于引入大量微孔來增加材料的表面積。常用的活化劑堿、氯化鋅、磷酸、CO和水蒸汽[23,24]。活化涉及活化劑中材料的高溫處理，，活化劑
【學位授予單位】：河南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM53

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