本文關(guān)鍵詞：超級電容器用有序介孔碳材料的制備及其性能優(yōu)化

  更多相關(guān)文章： 有序介孔碳材料 復(fù)合材料 硼摻雜 納米注入法 超級電容器

【摘要】：超級電容器由于具有功率密度高、充放電迅速、循環(huán)穩(wěn)定性好、價(jià)格低廉、環(huán)境友好等優(yōu)勢,受到了研究者們的廣泛關(guān)注。對于超級電容器來說,電極材料是影響其性能好壞的關(guān)鍵因素。因此,研究高性能電極材料對超級電容器的發(fā)展與應(yīng)用意義重大。目前,碳材料因比表面積大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、導(dǎo)電性良好,作為電極材料在超級電容器中得到了廣泛應(yīng)用。有序介孔碳作為碳材料中的重要一員,其發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)以及均一的孔徑分布,為電解液離子的快速傳輸提供了有利條件,是一類優(yōu)秀的碳材料。本文以介孔分子篩KIT-6作模板,制備了三維立方有序介孔碳材料,并通過與金屬氧化物MnO2復(fù)合和硼摻雜兩種方式,對有序介孔碳材料進(jìn)行性能優(yōu)化,取得了一系列有意義的結(jié)果。本論文的主要研究工作如下:首先,以介孔分子篩KIT-6為模板,糠醇為碳源,通過納米注入法制備三維立方有序介孔碳材料,并探討了煅燒溫度對所制備的三維立方有序介孔碳材料的微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,所制備的材料均具有較高的比表面積和均一的孔徑分布。當(dāng)碳化溫度為600oC時(shí),材料的有序度最好,且具有最優(yōu)異的電化學(xué)性能。在掃描速率為1 mV s-1時(shí)的比電容為256.86 F g-1;在電流密度為1 A g-1下,其比電容為220.3 F g-1,在經(jīng)過10000次循環(huán)后,比電容保持率高達(dá)90%。此外,當(dāng)功率密度為1000 W kg-1時(shí),OMC-600超級電容器的能量密度為6.96 Wh kg-1;當(dāng)功率密度增加到5000 W kg-1時(shí),OMC-600超級電容器的能量密度仍保持在6.53 Wh kg-1。然后,將600oC條件下煅燒的有序介孔碳CMK-8與不同濃度的高錳酸鉀溶液反應(yīng)制備MnO2/OMCs復(fù)合材料,并探討了不同MnO2負(fù)載量對MnO2/OMCs復(fù)合電極材料結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明,MnO2/OMCs復(fù)合材料繼承了有序介孔碳CMK-8的有序介孔結(jié)構(gòu),且隨著負(fù)載量的增加,復(fù)合材料的有序度降低。MnO2/OMC-0.04表現(xiàn)出最優(yōu)異的電化學(xué)性能,在掃描速率為1 mV s-1時(shí)的比電容為576.10 F g-1;在電流密度為1 A g-1下,其比電容為554.8 F g-1。將其組裝成超級電容器經(jīng)過5000次恒電流充放電測試,其庫侖效率幾乎為100%。最后,為了進(jìn)一步改善有序介孔碳材料的電化學(xué)性能,在合成三維立方有序介孔碳材料的基礎(chǔ)上,引入雜原子硼,制備硼摻雜有序介孔碳材料,并進(jìn)一步探討不同硼摻雜量對材料的結(jié)構(gòu)以及電化學(xué)性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):硼摻雜后材料的有序度基本能保持,且BOMCs具有較高的比表面積以及較集中的孔徑分布。此外,通過硼摻雜可以有效的改善材料的電化學(xué)性能,當(dāng)硼酸與糠醇的質(zhì)量比為0.05時(shí),所制備的硼摻雜有序介孔碳BOMC-0.05在掃描速率為5 mV s-1下的比電容高達(dá)267.8 F g-1。BOMC-0.05超級電容器首次放電比電容為69.8 F g-1,經(jīng)過10000次連續(xù)的充放電測試后,比電容保持率在92%,顯示了良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
【關(guān)鍵詞】：有序介孔碳材料 復(fù)合材料 硼摻雜 納米注入法 超級電容器
【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】：2016
【分類號】：TQ127.11;TM53
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-27
• 1.1 引言11
• 1.2 超級電容器概述11-17
• 1.2.1 超級電容器分類11-12
• 1.2.2 超級電容器能量儲存機(jī)理12-14
• 1.2.3 超級電容器的優(yōu)勢14-15
• 1.2.4 超級電容器的發(fā)展歷程15-16
• 1.2.5 超級電容器的應(yīng)用前景和挑戰(zhàn)16-17
• 1.3 超級電容器電極材料17-23
• 1.3.1 碳材料17-21
• 1.3.2 金屬氧化物21-22
• 1.3.3 導(dǎo)電聚合物22
• 1.3.4 復(fù)合材料22-23
• 1.4 超級電容器電解液23-24
• 1.4.1 水系電解液23
• 1.4.2 有機(jī)電解液23-24
• 1.4.3 其它電解液24
• 1.5 有序介孔碳材料的研究進(jìn)展24-25
• 1.6 本文的研究意義及主要研究內(nèi)容25-27
• 1.6.1 研究意義25
• 1.6.2 研究內(nèi)容25-27
• 第2章 實(shí)驗(yàn)儀器藥品以及測試方法27-37
• 2.1 主要試劑和儀器27-28
• 2.2 材料的物理性能表征方法28-31
• 2.2.1 傅里葉變換紅外光譜分析28-29
• 2.2.2 透射電子顯微鏡29
• 2.2.3 比表面積及孔結(jié)構(gòu)分析29-30
• 2.2.4 熱重分析30-31
• 2.2.5 X-射線衍射分析31
• 2.2.6 X-射線光電子能譜分析31
• 2.3 超級電容器電化學(xué)性能測試方法及原理31-36
• 2.3.1 循環(huán)伏安測試31-33
• 2.3.2 恒電流充放電測試33-34
• 2.3.3 交流阻抗測試34-35
• 2.3.4 循環(huán)壽命測試35-36
• 2.4 電極的制備和超級電容器的組裝36-37
• 第3章 三維立方有序介孔碳的制備及其電化學(xué)性能研究37-47
• 3.1 引言37
• 3.2 實(shí)驗(yàn)37-39
• 3.2.1 介孔二氧化硅KIT-6 的制備37-38
• 3.2.2 三維立方有序介孔碳的制備38
• 3.2.3 物理表征38
• 3.2.4 電化學(xué)性能測試38-39
• 3.3 三維立方有序介孔碳材料物理表征結(jié)果分析39-42
• 3.3.1 微觀結(jié)構(gòu)分析39
• 3.3.2 孔結(jié)構(gòu)分析39-40
• 3.3.3 表面官能團(tuán)分析40-42
• 3.4 三維立方有序介孔碳材料電化學(xué)性能表征分析42-46
• 3.4.1 循環(huán)伏安測試42-43
• 3.4.2 恒電流充放電測試43
• 3.4.3 交流阻抗測試43-44
• 3.4.4 循環(huán)壽命測試44-46
• 3.5 本章小結(jié)46-47
• 第4章 納米二氧化錳/有序介孔碳復(fù)合材料的制備及其電化學(xué)性能研究47-58
• 4.1 引言47
• 4.2 實(shí)驗(yàn)47-48
• 4.2.1 MnO_2/OMCs復(fù)合材料的制備47-48
• 4.2.2 物理表征48
• 4.2.3 電化學(xué)性能測試48
• 4.3 MnO_2/OMCs復(fù)合材料物理表征結(jié)果分析48-52
• 4.3.1 微觀結(jié)構(gòu)分析48-51
• 4.3.2 孔結(jié)構(gòu)分析51-52
• 4.3.3 表面官能團(tuán)分析52
• 4.4 MnO_2/OMCs復(fù)合材料電化學(xué)性能表征分析52-56
• 4.4.1 循環(huán)伏安測試52-53
• 4.4.2 恒電流充放電測試53-54
• 4.4.3 交流阻抗測試54-55
• 4.4.4 超級電容器性能測試55-56
• 4.4.5 循環(huán)壽命測試56
• 4.5 本章小結(jié)56-58
• 第5章 硼摻雜有序介孔碳的制備及其電化學(xué)性能研究58-66
• 5.1 引言58
• 5.2 實(shí)驗(yàn)58-59
• 5.2.1 硼摻雜有序介孔碳的制備58-59
• 5.2.2 物理表征59
• 5.2.3 電化學(xué)性能測試59
• 5.3 硼摻雜有序介孔碳材料物理表征結(jié)果分析59-62
• 5.3.1 孔結(jié)構(gòu)分析59-60
• 5.3.2 表面官能團(tuán)分析60-61
• 5.3.3 微觀結(jié)構(gòu)分析61-62
• 5.4 硼摻雜有序介孔碳材料電化學(xué)性能表征結(jié)果分析62-65
• 5.4.1 循環(huán)伏安測試62-63
• 5.4.2 恒電流充放電測試63-64
• 5.4.3 交流阻抗測試64
• 5.4.4 循環(huán)壽命測試64-65
• 5.5 本章小結(jié)65-66
• 第6章 結(jié)論與展望66-68
• 6.1 結(jié)論66-67
• 6.2 展望67-68
• 參考文獻(xiàn)68-76
• 致謝76-77
• 攻讀碩士期間公開發(fā)表的論文77-78
• 個(gè)人簡歷78

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