超級電容器作為一種極具發(fā)展前景的儲能裝置,具有使用壽命長、充放電效率高等優(yōu)點。碳材料因來源廣泛、導電性良好、穩(wěn)定性高、結構可調控性好等優(yōu)點可作為超級電容器電極材料而受到廣泛關注。與商業(yè)活性炭相比,雜原子摻雜多級孔碳材料能表現(xiàn)出更高的比容量和倍率性能,成為當前研究的熱點。目前雜原子摻雜多級孔碳材料主要通過軟硬模板結合法和模板活化結合法制備,額外的模板去除或者活化步驟使其制備過程復雜化,同時也可能引起雜原子流失。因此,如何通過簡單方法構筑具有高含量雜原子摻雜水平的多級孔碳材料,使其表現(xiàn)出高比容量和高倍率性能成為這一領域的關鍵挑戰(zhàn)之一。本文提出了“自犧牲四氧化三鐵團簇誘導聚合法”一步構建多孔功能導電聚合物微球,直接碳化構建雜原子摻雜多級孔碳材料。以聚丙烯酸修飾的四氧化三鐵納米團簇作為自犧牲模板,鹽酸對其逐步溶解釋放出三價鐵離子,三價鐵離子原位氧化導電聚合物單體吡咯或噻吩聚合物單體被氧化聚合形成多孔導電共聚物微球,直接碳化后分別得到氮氧雙摻雜多級孔碳微球和氮硫氧多元摻雜多級孔碳微球。采用透射電鏡（TEM）、X射線衍射（XRD）、拉曼光譜（Raman）、等溫氮氣吸脫附、X射線光電子能譜（XPS）... 

【文章來源】：燕山大學河北省

【文章頁數(shù)】：65 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

圖1-1.雙電層電荷存儲機制示意圖[8]

燕山大學工學碩士學位論文4具體對比參數(shù)在圖1-2中列出：圖1-2.三種常見儲能設備參數(shù)對比[12]。1.3超級電容器電極材料超級電容器通常由兩個電極、電解液、多孔性隔膜、集流體以及其他相應輔助元件組成，其中電極材料的選取是關鍵，是直接影響超級電容器性能提升和優(yōu)化的核心所在。研究開發(fā)高比容量、高循環(huán)壽命的電極材料也是一直以來人們研究的重點。常見的超級電容器電極材料可分為三大類：過渡金屬化合物、導電聚合物和碳材料。1.3.1過渡金屬化合物幾十年來，過渡金屬氧化物/氫氧化物[13-19]、硫化物[20-28]、硒化物[29]、磷化物[30]電極材料的研究得到了廣泛的報道。二氧化釕（RuO2）是首次被用作超級電容器電極材料的過渡金屬氧化物。它的理論電容為1450F/g，電壓窗可達到1V的范圍，比碳材料的理論電容大得多。RuO2還具有熱穩(wěn)定性好、循環(huán)穩(wěn)定性高、導電性高等優(yōu)點。然而，釕的提煉成本很高，這就限制了釕基電極材料的發(fā)展。為了解決這些問題，人們開發(fā)出低成本的過渡金屬電活性材料來替代釕的應用。過渡金屬元素是地球上含量最豐富的金屬元素。氧、硫、硒、磷等元素和羥基（-OH）官能團常與這些過渡金屬配合，形成一系列的氫氧化物、氧化物、硫化物、硒化物和磷化物。用于超級電容器的過渡金屬化合物可大致分為兩種：表面氧化還原贗電容材料，如錳和鐵氧化物/氧氫氧化物；以及五氧化二釩（V2O5）、氧化鎢（WO3）、五氧化鈮（Nb2O5）、二氧化鈦（TiO2）、二硫化鉬（MoS2）等插層贗電容材料。

燕山大學工學碩士學位論文10圖1-3.(a)N-MCNs合成過程示意圖;(b)N-MCNs孔徑分布曲線;(c)N-MCNs在2A/g時的恒流充放電曲線及其循環(huán)穩(wěn)定性[66]。Zhu等人[67]利用1,5-萘二胺作為碳源和氮源，在過硫酸銨的作用下合成了含氮碳微球（NCMs），合成流程圖如圖1-4所示。其比表面積達到403m2/g，微球直徑約0.2-0.5μm，含氮原子百分比為5.94at.%。制作為超級電容器的電極材料后，在1A/g的電流密度下的電容量為228F/g，經(jīng)過5000次循環(huán)充放電后電容量不低于86%，具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。圖1-4.含氮碳微球的制備過程示意圖[67]。對于應用在電化學儲能方面的碳材料而言，在雜原子摻雜的同時實現(xiàn)多級孔結構是最理想的材料合成方式。采用原位摻雜法的基礎上使用軟/硬模板或者模板-活化手段，不僅能合成孔結構可調的多級孔碳材料，還可以通過對前驅體的種類選擇得到摻雜原子類型及含量可控的雜原子摻雜多級孔碳材料。Han等人[68]以聚苯乙烯磺化球為硬模板，以苯胺為碳源和氮源，采用熱裂解法制備了多級孔氮摻雜的空心碳球（PNHCS），材料合成過程如圖1-5所示。

【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：3123471