本文關(guān)鍵詞：超級電容器用層次多孔炭材料的制備及其性能優(yōu)化

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【摘要】：活性多孔炭因具有良好的導(dǎo)電性,優(yōu)良的物理化學(xué)穩(wěn)定性,以及相對低廉的價格等優(yōu)點而成為使用最廣泛的超級電容器電極材料。但它以微孔為主,由于離子在彎曲而不規(guī)則的微孔中傳輸較慢,甚至無法到達某些微孔深處,因此限制了其有效利用率,也影響了其倍率性能和功率特性。但如果對其孔結(jié)構(gòu)進行有效的設(shè)計,使之具備微孔、介孔和大孔分級孔組合的層次多孔結(jié)構(gòu),其中大孔可作為離子緩沖池縮短離子擴散的距離,介孔可以促進雙電層的形成,并減小離子傳輸?shù)淖杩?而微孔則可為雙電層電容的形成提供主要場所,從而獲得高性能的新型超級電容器用炭材料。因此,本論文設(shè)計并制備了具有微孔、介孔和大孔分級孔組合的層次多孔炭材料,且在此基礎(chǔ)上,通過對材料進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改性研究,顯著改進了其性能,取得了一系列有意義的成果。本論文的主要研究工作如下:(1)將碳化鉻在700oC氯化反應(yīng)3 h后,用濃度為16 mol L-1的硝酸進一步處理得到了具有表面官能團的層次多孔碳化鉻衍生炭,并探討了活化工藝條件對所制備的層次多孔碳化鉻衍生炭結(jié)構(gòu)和性能的影響。研究表明,所得碳化鉻衍生炭材料具有微孔、介孔和大孔分級孔組合的層次多孔結(jié)構(gòu),經(jīng)硝酸處理后所得到的表面官能團修飾的層次多孔碳化鉻衍生炭材料的比表面積和孔容降低了,但電化學(xué)性能卻提高了,因為其表面的官能團能提高材料的親水性,并增加其贗電容。在100oC硝酸處理所得到的層次多孔碳化鉻衍生炭C(Cr3C2)-M100在掃描速率為5 mV s-1時的比電容為209 F g-1,在電流密度為1 A g-1時的比電容為206.5 F g-1,在5000次恒流充/放電循環(huán)后的比電容保持率可達90%。(2)以糠醇為碳源,以十六烷基三甲基溴化銨、聚丙烯酸、正硅酸乙酯為模板,在水熱條件下合成了內(nèi)部孔道互通的層次多孔炭微球(HPCMS),并探討了原料配比對所合成材料結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)糠醇與正硅酸乙酯摩爾比為2:1時,所得層次多孔炭微球HPCMS-2的比表面積最大(709 m2 g-1),電化學(xué)性能也最好。HPCMS-2電極材料在掃描速率為5 mV s-1時比電容為171 F g-1,在電流密度為1 A g-1時比電容為221 F g-1。以HPCMS-2為電極材料組裝成的超級電容器經(jīng)5000次循環(huán)后,其比電容仍能保持在50 F g-1。(3)以二氧化硅微球納米陣列為硬模板,以三嵌段共聚物PEO20PPO70PEO20(P123)為軟模板,以蔗糖為碳源,成功合成了三維有序?qū)哟味嗫滋坎牧?3D HOPC),并探討了所用二氧化硅微球的粒徑對所合成材料結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)二氧化硅微球粒徑為80 nm時,所合成的三維有序?qū)哟味嗫滋坎牧?D HOPC-80的比表面積最高(709 m2 g-1),電化學(xué)性能也最好。3D HOPC-80電極材料在掃描速率為5 mV s-1和電流密度為1 A g-1時的比電容分別高達243.5 F g-1和247 F g-1。以3D HOPC-80為電極材料組裝而成的超級電容器,經(jīng)歷10000次循環(huán)后比電容保持率可達91%。(4)通過在三維有序大孔炭材料表面包覆聚苯胺并碳化,再對其進行KOH活化處理,成功地得到了具有表面官能團的三維層次多孔炭材料(N-3DHPC)。結(jié)果表明,它基本保留了原始三維大孔炭材料的形貌,比表面積高達1084 m2 g-1。以N-3DHPC為電極材料組裝成的超級電容器在電流密度為1 A g-1時,比電容高達77.1 F g-1。其在10000次循環(huán)之后的比電容仍能維持在76.1 F g-1,比電容保持率高達96%。當(dāng)它的功率密度為500 W kg-1時,其能量密度高達10.7 Wh kg-1;當(dāng)其功率密度為5000 W kg-1時,其能量密度仍可達9.0 Wh kg-1。
【關(guān)鍵詞】：超級電容器 多孔炭 層次多孔結(jié)構(gòu) 三維結(jié)構(gòu) 模板法
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM53
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-24
• 1.1 引言11
• 1.2 概述11-15
• 1.2.1 超級電容器的分類11-12
• 1.2.2 能量儲存機理12-13
• 1.2.3 超級電容器的發(fā)展13-14
• 1.2.4 超級電容器的優(yōu)勢14-15
• 1.2.5 超級電容器的應(yīng)用15
• 1.3 超級電容器電極材料15-20
• 1.3.1 炭材料16-19
• 1.3.2 金屬氧化物19
• 1.3.3 導(dǎo)電聚合物19-20
• 1.3.4 復(fù)合材料20
• 1.4 超級電容器電解液20-21
• 1.5 層次多孔炭材料的發(fā)展21
• 1.6 本論文的研究意義與主要研究內(nèi)容21-24
• 1.6.1 研究意義21-22
• 1.6.2 研究內(nèi)容22-24
• 第2章 實驗儀器藥品以及測試方法24-34
• 2.1 主要儀器和試劑24-26
• 2.1.1 主要實驗儀器及設(shè)備24
• 2.1.2 主要化學(xué)試劑及原材料24-26
• 2.2 超級電容器電極材料物理性能的表征26-28
• 2.2.1 掃描電子顯微鏡分析26
• 2.2.2 透射電子顯微鏡分析26
• 2.2.3 比表面和孔結(jié)構(gòu)分析26-27
• 2.2.4 X-射線光電子能譜分析27-28
• 2.2.5 X-射線衍射分析28
• 2.3 超級電容器電化學(xué)性能測試方法及原理28-32
• 2.3.1 循環(huán)伏安測試28-29
• 2.3.2 恒流充/放電測試29-30
• 2.3.3 交流阻抗測試30-32
• 2.3.4 循環(huán)壽命測試32
• 2.4 電極的制備以及超級電容器的組裝32-34
• 第3章 層次多孔碳化鉻衍生炭的制備及其電化學(xué)性能研究34-43
• 3.1 引言34
• 3.2 實驗34-35
• 3.2.1 材料合成34-35
• 3.2.2 物理表征35
• 3.2.3 電化學(xué)性能測試35
• 3.3 結(jié)果與討論35-42
• 3.3.1 結(jié)構(gòu)分析35-37
• 3.3.2 表面官能團分析37-38
• 3.3.3 電化學(xué)性能分析38-42
• 3.4 本章小結(jié)42-43
• 第4章 層次多孔炭微球的制備及其電化學(xué)性能研究43-53
• 4.1 引言43
• 4.2 實驗43-45
• 4.2.1 材料合成43-44
• 4.2.2 物理表征44
• 4.2.3 電化學(xué)性能測試44-45
• 4.3 結(jié)果與討論45-51
• 4.3.1 形貌分析45-46
• 4.3.2 結(jié)構(gòu)分析46-47
• 4.3.3 電化學(xué)性能分析47-51
• 4.4 本章小結(jié)51-53
• 第5章 三維有序?qū)哟味嗫滋康闹苽浼捌潆娀瘜W(xué)性能研究53-63
• 5.1 引言53
• 5.2 實驗53-55
• 5.2.1 材料合成53-54
• 5.2.2 物理表征54
• 5.2.3 電化學(xué)性能測試54-55
• 5.3 結(jié)果與討論55-62
• 5.3.1 孔結(jié)構(gòu)分析55-56
• 5.3.2 形貌分析56-57
• 5.3.3 表面官能團分析57-58
• 5.3.4 電化學(xué)性能分析58-62
• 5.4 本章小結(jié)62-63
• 第6章 表面修飾的三維有序?qū)哟味嗫滋康闹苽浼捌潆娀瘜W(xué)性能研究63-73
• 6.1 引言63
• 6.2 實驗63-65
• 6.2.1 材料合成63-64
• 6.2.2 物理表征64-65
• 6.2.3 電化學(xué)性能測試65
• 6.3 結(jié)果與討論65-72
• 6.3.1 孔結(jié)構(gòu)分析65-66
• 6.3.2 形貌分析66-67
• 6.3.3 表面官能團分析67-68
• 6.3.4 電化學(xué)性能分析68-72
• 6.4 本章小結(jié)72-73
• 第7章 結(jié)論與展望73-76
• 7.1 結(jié)論73-75
• 7.2 展望75-76
• 參考文獻76-86
• 致謝86-87
• 個人簡歷87-88
• 碩士期間公開發(fā)表的論文88-90

【共引文獻】

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