本文對雙電層超級電容器的最新研究進展進行了詳細綜述,并深入系統(tǒng)地研究了多孔炭材料中孔徑分布和比表面積及其多孔炭材料表面官能團與雙電層電化學(xué)性能之間的相互關(guān)系,這是一個尤為重要的前沿基礎(chǔ)科學(xué)問題。然而,遺憾的是對這一問題都沒有進行深入、系統(tǒng)地研究,均處于定性的說明或簡要闡述,并沒有有力的實驗佐證。造成這種現(xiàn)象的主要原因:一方面是由于體系的復(fù)雜性;而另一方面是由于炭材料結(jié)構(gòu)的不可控性。綜合上述原因,本課題提出直接炭化交聯(lián)嵌段共聚物來制備分級多孔炭材料,并系統(tǒng)研究其雙電層電化學(xué)性能。本課題的主要研究思路為:(1)合成分子量可控的嵌段共聚物;(2)傅克反應(yīng)發(fā)生使聚合物交聯(lián);(3)制備分級多孔炭材料;(4)測試并組裝為高性能超級電容器,也就是通過控制嵌段共聚物中犧牲鏈段的分子量分布即體積分數(shù)來調(diào)控其形態(tài)結(jié)構(gòu),進而在炭化過程中調(diào)控多孔炭材料中的孔徑大小及分布,然后研究多孔炭材料中孔結(jié)構(gòu)、孔徑大小和比表面積與雙電層電化學(xué)性能之間的相互關(guān)系。其主要研究內(nèi)容如下:(1)苯乙烯(St)和甲基丙烯酸甲酯(MMA)作為聚合物的單體,以Cu~IBr/BPY為催化劑,采用MBP作為引發(fā)劑,在EC溶劑中采用原子轉(zhuǎn)移可控自由基聚合方法(ATRP)成功合成嵌段共聚物PS-b-PMMA。在此基礎(chǔ)上進行傅克反應(yīng)使嵌段共聚物中PS的苯環(huán)發(fā)生交聯(lián),得到交聯(lián)的嵌段共聚物x PS-b-PMMA。所合成的大分子引發(fā)劑PS-Br的數(shù)均分子量為15281 g mol~(-1)并在合成過程中,使“保留”鏈段分子量(x PS段)保持不變,控制其聚合反應(yīng)的條件制備一系列分子量分布較窄的嵌段共聚物,其分子量分別為19011、21368、22918和25933 g mol~(-1),其中PMMA的體積分數(shù)(f_(PMMA))分別為19.62%、28.49%、33.42%和41.28%。經(jīng)高溫炭化,成功制備了具有較高比表面積和分級多孔結(jié)構(gòu)的炭材料。作為超級電容器的電極材料,HPC_5在電流密度為0.5 A g~(-1)時,展現(xiàn)出較高的比電容為204 F g~(-1),表現(xiàn)出較好的倍率性能和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。(2)采用KOH和HNO_3為活化劑對前驅(qū)體進行化學(xué)活化處理,并選擇合適的活化條件。當活化溫度為700℃,時間為2 h,且KOH及HNO_3與前驅(qū)體的質(zhì)量比均為1:1時,制備了具有高比表面積的層級多孔炭材料,且其比表面積高達2436 m~2 g~(-1),孔徑分布主要集中在1.8~3 nm,孔體積為1.2 cm~3 g~(-1)。該電極材料在電流密度為0.5 A g~(-1)時其比容量為382 F g~(-1)并當電流密度增大至10 A g~(-1)時,其倍率性能為73%。該電極表現(xiàn)出如此優(yōu)異的電化學(xué)性能主要歸因于其較高的比表面積和獨特的孔結(jié)構(gòu)和孔徑分布以及少量的含氧官能團。
【學(xué)位單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TQ127.11;TM53
【部分圖文】：

基于嵌段共聚物 xPS-b-PMMA 的多孔炭材料的制備及其電化學(xué)性能容器的分類器根據(jù)其儲能機理，將其可分為兩類：雙電層電容器和法容電容器）。層電容器容器主要是基于靜電相互作用機理，進而形成雙電層來儲器件。早在 1879 年，首次由德國物理學(xué)家 Helmhotz 提出ouy、Chapman 及 Stern 等人不斷完善，最終才得以形成比-23]。該理論認為，將電極插入電解液內(nèi)并在一定外加電場分子間力及原子間力的作用，帶相反電荷的電解液離子將，從而在電極表面形成電子雙電層[24-25]。圖 1.1 為雙電層充電過程中，電子通過外電路從正極流向負極，而電解液正負極遷移，進而形成電子雙電層，通過靜電相互作用形儲存能量的目的。放電過程中，由于電勢差的存在，使得發(fā)生定向移動，從而形成外電路電流。

贗電容[52-53]。此外，有些表面官能團也會改度地提升其比表面積的利用率，進而增加其。當然，也并不是表面官能團的含量越高越材料的內(nèi)阻加大和電容器的循環(huán)壽命降低。應(yīng)制備具有適宜含量官能團的多孔炭材料作料電化學(xué)性能的重要手段。自由基聚合（ATRP）為鏈式聚合反應(yīng)，其主要包括鏈引發(fā)、鏈增過程中所加入的引發(fā)劑通過吸熱或光等能量聚合。自由基聚合中所適用的單體一般為帶合過程中，自由基活性較高，聚合速率快，止是指聚合過程中自由基活性消失，形成了的方法是溶液聚合和本體聚合，制得的聚合重影響了聚合物的性能。

電容之間的相互關(guān)系提供了重要方向。內(nèi)容研究內(nèi)容是：采用原子轉(zhuǎn)移可控自由基聚合較窄的嵌段共聚物（PS-b-PMMA），然后經(jīng)聚苯乙烯與甲基丙烯酸甲酯的嵌段共聚物體高溫炭化制得分級多孔炭材料。探究嵌段分布或其體積分數(shù)對多孔炭材料孔結(jié)構(gòu)和究其與雙電層電化學(xué)性能之間的相互關(guān)系等：物（xPS-b-PMMA）作為多孔炭材料的前驅(qū)材料的孔徑大小和分布，所以分析犧牲鏈段以理論分析孔結(jié)構(gòu)參數(shù)（主要為孔徑大�。┩ㄟ^大量實驗來驗證其理論的正確性，再反分層多孔炭材料。：
【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 Ming-Xian Liu;Ling-Yan Chen;Da-Zhang Zhu;Hui Duan;Wei Xiong;Zi-Jie Xu;Li-Hua Gan;Long-Wu Chen;;Zinc tartrate oriented hydrothermal synthesis of microporous carbons for high performance supercapacitor electrodes[J];Chinese Chemical Letters;2016年03期

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3 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

本文編號：2872488