發(fā)布時間：2017-11-25 08:10

  本文關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)可控多孔碳的設(shè)計與制備及電容特性研究

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【摘要】：本文綜述了超級電容器最新研究進展,重點對超級電容器碳材料的制備和結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進行了綜述。對于雙電層電容器來說,系統(tǒng)研究碳材料的孔隙率和孔徑分布與超級電容性能關(guān)系,是一個非常重要的基礎(chǔ)科學問題。遺憾的是對于這一問題基本都止步于定性的說明或解釋,沒有有力的實驗驗證。這一方面是因為體系的復雜性,另一方面是由于碳材料結(jié)構(gòu)的不可控性。據(jù)此,本課題提出了嵌段共聚物碳化法制備孔徑結(jié)構(gòu)精確可控的多孔碳電極材料的新方法。本研究課題的實施遵循聚合物聚合可控-碳材料結(jié)構(gòu)可控-高性能超級電容器碳電極材料為主線的研究路線,即通過控制嵌段共聚物鏈段的柔順性、改變鏈段分子量及不同鏈段的相對含量來調(diào)控嵌段共聚物的形態(tài)結(jié)構(gòu);進而調(diào)控碳材料的孔徑結(jié)構(gòu)。主要內(nèi)容如下:(1)采用原子轉(zhuǎn)移可控自由基聚合方法(ATRP)合成得到嵌段共聚物PAN-b-PMMA。其中PMMA鏈段為“犧牲”鏈段,PAN為“保留”鏈段。通過ATRP成功制備了大分子引發(fā)劑PAN-Br(MnPAN=22153 g mol-1,PDI=1.04),保持“保留”鏈段PAN不變,精確控制ATRP的反應(yīng)條件,引發(fā)得到分子量為Mn PAN-b-PMMA=26726~42234 g mol-1且PDI1.3的嵌段共聚物PAN-b-PMMA,相應(yīng)體積分數(shù)fPMMA=10.50~33.89%。高溫炭化后得到相應(yīng)孔徑為5.96~17.64 nm且高的比表面積SBET=274.6~427.36 m2 g-1的孔結(jié)構(gòu)高度可控介孔碳材料。隨著介孔碳材料孔徑的增大,比容量先增加后下降�？讖綖�13.64 nm的介孔碳材料顯示出最優(yōu)的超級電容性能。(2)將嵌段共聚物PAN418-b-PMMA169作為前驅(qū)體,系統(tǒng)研究了表面硝酸活化對碳材料結(jié)構(gòu)及其電化學性能的影響。通過表面硝酸活化,成功引入了含氧、含氮官能團,如-COOH,-NO2,-OH等,改善了碳材料表面的浸潤性,提高了其比表面積利用率;這類含氧、含氮官能團很大程度上貢獻了贗電容,使得碳材料比容量得到很大提升;同時,硝酸活化法成功制備了氮摻雜分級多孔碳材料(A-NHPC),顯示出優(yōu)異的超級電容性能;由于具有更多的微孔與超微孔結(jié)構(gòu),明顯的分級多孔結(jié)構(gòu),更高的比表面積。A-NHPC14-4-80具有高的比容量為314 F g-1,主要是由于含氮含氧官能團的引入,更好的導電性,和更加優(yōu)異的分級孔結(jié)構(gòu)。(3)將嵌段共聚物PAN418-b-PMMA111作為前驅(qū)體,使用KOH活化處理工藝,選擇合適的活化條件:溫度為600~800oC,配比為0.5~4,時間為1~2 h;成功制備得到孔結(jié)構(gòu)可控的氮摻雜活性碳材料(HEANCs)。所制備的碳材料具有良好可控的比表面積(1088~3069 m2 g-1)、孔徑分布(1.68~3.45 nm)、與合適可調(diào)的氮含量(2.3~7.5%)。隨著碳材料比表面積的增大,比容量逐漸遞增。HEANC750-4-2h具有極高的比容量(542 F g-1)、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性(95%的容量保持率)和較好的倍率性能(73%的容量保持率),是由于該碳材料具有非常合適的孔徑(~3.45 nm)、超高的比表面積(~3069 m2 g-1)、孔體積(~2.29 cm3 g-1)和合適的N含量(~2.39%)。同時,HEANC750-4-2h//HEANC750-4-2h具有較高的能量密度為12.1 Wh kg-1。
【學位授予單位】：蘭州理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ127.11;TM53

【參考文獻】

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1 孫天鳴;董利民;王晨;郭文利;王莉;梁彤祥;;孔隙率對炭材料電阻率的影響(英文)[J];新型炭材料;2013年05期

2 Thang Ngoc Cong;;Progress in electrical energy storage system:A critical review[J];Progress in Natural Science;2009年03期

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本文編號：1225323