本文關(guān)鍵詞：多級(jí)孔碳材料的制備及其超級(jí)電容器性能研究

  更多相關(guān)文章： 超級(jí)電容器 多級(jí)孔碳 模板法 氯化銨 石膽酸

【摘要】：隨著科技的進(jìn)步和能源結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整,超級(jí)電容器作為一種高功率的電化學(xué)儲(chǔ)能器件,逐漸受到人們廣泛關(guān)注與研究�；钚蕴坎牧鲜悄壳皩�(shí)際使用最廣泛的超級(jí)電容電極材料,這是因?yàn)榛钚蕴烤哂斜缺砻娣e大,制造技術(shù)成熟,價(jià)格低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)。但是當(dāng)活性炭材料應(yīng)用于超級(jí)電容器時(shí),充放電過程中電解質(zhì)離子在活性炭材料狹窄且無序的孔道中的緩慢運(yùn)動(dòng)通常會(huì)造成材料性能的惡化。隨著多級(jí)孔碳概念的提出,構(gòu)建具有合適孔徑分布且相互連通的大孔-介孔-微孔的多級(jí)孔碳材料來獲得高性能的電極材料成為熱點(diǎn)。目前,制備多級(jí)孔碳材料最主要的方法之一就是采用聚合物(酚醛樹脂,葡萄糖等)為前驅(qū)體通過模板—活化法來獲得,此研究的關(guān)鍵是尋找一種合適的模板劑來為活性炭帶來豐富的大孔和介孔結(jié)構(gòu)。目前受到廣泛研究的模板劑如二氧化硅,F127等存在如流程繁瑣、代價(jià)高昂、污染嚴(yán)重和性能有限等許多缺點(diǎn)。本文圍繞著模板-活化法,以甲階酚醛樹脂為碳源,通過采用新型的模板來制備廉價(jià)高電容性能的多級(jí)孔碳材料。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)為獲得廉價(jià)多級(jí)孔碳材料,以酚醛樹脂為碳源,以無機(jī)鹽-氯化銨為硬模板劑,輔助KOH活化制備具有大孔-介孔-微孔的多孔碳材料。實(shí)驗(yàn)中,首先將碳源和模板劑在水溶液中混合,隨后快速降溫使得體系冷凍。其中,氯化銨結(jié)晶成微米級(jí)顆粒,這些顆粒均勻地分散在樹脂內(nèi)部發(fā)揮模板作用。將體系干燥后煅燒,酚醛樹脂首先低溫下發(fā)生固化,接著氯化銨晶粒在250℃附近分解為氨氣和氯化氫,脫離體系而在樹脂內(nèi)部留下相應(yīng)的孔結(jié)構(gòu),這避免了傳統(tǒng)硬模板必須單獨(dú)去除的難題。經(jīng)過碳化,多孔樹脂能夠轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫滋疾牧�。通過調(diào)節(jié)樹脂與氯化銨的比例,能夠有效地調(diào)節(jié)材料的大孔結(jié)構(gòu)。所獲得的多孔碳材料經(jīng)過氫氧化鉀活化后獲得介孔和微孔,成為多級(jí)孔碳材料。該材料導(dǎo)電性好,而比表面積高達(dá)2441 m2/g,能夠作為優(yōu)秀的超級(jí)電容電極材料。我們測(cè)試了相同活化條件下通過添加不同量的氯化銨所制備的多級(jí)孔碳材料的電容性能,并與空白樣品進(jìn)行比較。在電流密度為0.1 A/g時(shí),所制備的多級(jí)孔碳材料相比于空白樣,電容提高了54 F/g,10 A/g時(shí),材料的電容依然可達(dá)為217 F/g。(2)為了獲得高性能的多級(jí)孔碳材料,以酚醛樹脂為碳源,提出采用生物表面活性劑石膽酸在氯化銨誘導(dǎo)下形成的一維納米管狀聚集體作為軟模板,結(jié)合KOH活化獲得多級(jí)孔碳材料。將樹脂與石膽酸溶于水中,添加誘導(dǎo)劑氯化銨使得石膽酸聚集成納米管結(jié)構(gòu),快速降溫使得體系冷凍。此時(shí),氯化銨晶粒與石膽酸納米管均勻分散在樹脂內(nèi)部。將體系干燥后煅燒,酚醛樹脂固化,氯化銨晶粒分解為氣體而脫離樹脂。經(jīng)過碳化和活化后,多孔樹脂轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗉?jí)孔碳材料。石膽酸引入了20 nm以上的介孔,這些中級(jí)孔起到連通微米級(jí)大孔(氯化銨為模板構(gòu)建)及微孔(活化作用引入)的作用,有效提高電解質(zhì)離子在材料內(nèi)部的傳輸。同時(shí)石膽酸本身具有膽甾基團(tuán)使碳材料的導(dǎo)電性進(jìn)一步提高。在兩電極體系中,材料展現(xiàn)了優(yōu)異的電容性能,尤其是在高電流密度下的倍率性能更加優(yōu)異。
【關(guān)鍵詞】：超級(jí)電容器 多級(jí)孔碳 模板法 氯化銨 石膽酸
【學(xué)位授予單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ127.11;TM53
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 1 緒論10-28
• 1.1 碳基超級(jí)電容器10-14
• 1.1.1 碳材料的儲(chǔ)能機(jī)理10-12
• 1.1.2 碳材料的發(fā)展12-14
• 1.2 多級(jí)孔碳材料作為超級(jí)電容器的電極材料14-21
• 1.2.1 多孔碳材料內(nèi)的離子傳輸14-16
• 1.2.2 高比表面積碳材料孔結(jié)構(gòu)的改善16-19
• 1.2.3 典型的多級(jí)孔碳材料19-21
• 1.3 本論文的選題依據(jù)、研究思路及研究?jī)?nèi)容21-23
• 1.3.1 選題依據(jù)21-22
• 1.3.2 研究思路22
• 1.3.3 研究?jī)?nèi)容22-23
• 參考文獻(xiàn)23-28
• 2 以氯化銨為模板合成多級(jí)孔碳及其超級(jí)電容性能28-48
• 2.1 介紹28-30
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分30-32
• 2.2.1 本實(shí)驗(yàn)所使用的化學(xué)試劑30
• 2.2.2 本實(shí)驗(yàn)所采用的儀器設(shè)備30
• 2.2.3 制備過程30-31
• 2.2.4 相關(guān)表征31-32
• 2.3 結(jié)果與討論32-44
• 2.3.1 氯化銨對(duì)樹脂形貌的影響32-33
• 2.3.2 機(jī)理探究33-36
• 2.3.3 多孔碳形貌的調(diào)節(jié)36-38
• 2.3.4 材料的性質(zhì)38-41
• 2.3.5 材料的超級(jí)電容性能41-44
• 2.4 本章小結(jié)44-46
• 參考文獻(xiàn)46-48
• 3 石膽酸納米管作為模板合成多孔碳材料48-72
• 3.1 介紹48-50
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分50-51
• 3.2.1 本實(shí)驗(yàn)所使用的化學(xué)試劑50
• 3.2.2 本實(shí)驗(yàn)所采用的儀器設(shè)備50
• 3.2.3 制備過程50-51
• 3.2.4 相關(guān)表征51
• 3.3 結(jié)果與討論51-69
• 3.3.1 材料的形貌表征51-54
• 3.3.2 石膽酸誘導(dǎo)成孔的機(jī)理54-57
• 3.3.3 熱處理對(duì)材料的影響57-60
• 3.3.4 材料的化學(xué)性質(zhì)表征60-62
• 3.3.5 材料的電容性能表征62-69
• 3.4 本章小結(jié)69-70
• 參考文獻(xiàn)70-72
• 4 結(jié)論與展望72-74
• 致謝74-75

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