【摘要】：超級(jí)電容器因其優(yōu)異的倍率特性、循環(huán)穩(wěn)定性和安全性而備受關(guān)注,然而多數(shù)材料的三維顆粒特征使得其無法在高倍率下提供應(yīng)有的容量,限制了電容器的性能改善和應(yīng)用領(lǐng)域。因此開發(fā)高倍率大容量電極材料是提高超級(jí)電容性能的必由之路,具有重要的應(yīng)用價(jià)值。電極材料二維化有助于提高材料的表面和孔的利用率,同時(shí)減小離子的擴(kuò)散距離,進(jìn)而提高材料的容量和倍率特性。本文旨在采用從下至上的技術(shù)策略,通過調(diào)控碳源分子相互作用,利用綠色模板和原位摻雜源,通過熱解分別制備了多種二維摻雜多孔炭片；同時(shí)利用從上至下的技術(shù)手段設(shè)計(jì)制備了具有原子水平厚度的二維材料 MXene及其復(fù)合材料,并研究了這兩類二維導(dǎo)電材料的電容性能。具體研究內(nèi)容如下：以殼聚糖為含氮碳源,經(jīng)溶解提高分子自由程度,利用冷凍形成的原位冰模板減輕殼聚糖分子的堆疊程度,通過冷凍干燥得到保持分子混亂堆積的殼聚糖冰凝膠,直接碳化得到由炭片組成的炭凝膠；該含氮炭片具有遠(yuǎn)大于殼聚糖粉末基炭的比表面積和孔容,且其電容性能遠(yuǎn)優(yōu)于殼聚糖粉末基炭(242 vs 8 F g-1),同時(shí)具有優(yōu)異的倍率特性和循環(huán)穩(wěn)定性。含氮炭片經(jīng)KOH活化后制得比表面積高達(dá)3000m2g-1的多孔炭片,該多孔炭片具有優(yōu)異的比電容、倍率特性和循環(huán)穩(wěn)定性。通過向殼聚糖冰凝膠內(nèi)原位引入具有摻雜源的反應(yīng)性模板劑對(duì)甲苯磺酸和硼酸,通過直接碳化分別制備得到具有氮硫和氮硼共摻雜的整體多孔炭凝膠。氮硫共摻雜多孔炭具有類泡沫炭的孔泡結(jié)構(gòu),氮硼共摻雜多孔炭具有二維片狀結(jié)構(gòu)。這種普適性方法制得的雙元共摻雜多孔炭均表現(xiàn)出了良好的電容特性,且雙摻雜炭性能優(yōu)于單摻雜炭。將含氮明膠限制在原位生成的片狀硼酸層間,通過直接碳化和沸水回流制得超薄的二維氮硼共摻雜炭片,這種炭片可組裝成柔性膜和超低密度的氣凝膠。該炭片形貌、成分通過硼酸/明膠質(zhì)量比可調(diào),且這類炭片具有優(yōu)異的電容性能,質(zhì)量比電容和界面電容遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)報(bào)道值,同時(shí)具有優(yōu)異的倍率性能和穩(wěn)定性；當(dāng)組裝成無粘結(jié)劑自支撐柔性膜時(shí)倍率性能進(jìn)一步提升。利用氫氟酸選擇性的刻蝕掉Ti3AlC2中的鋁,制得二維堆疊的多層MXene,通過在多層MXene層間插入二甲基亞砜,超聲剝離得到具有原子水平厚度的單層或少層MXene。利用真空輔助組裝得到具有優(yōu)異導(dǎo)電性的柔性自支撐MXene膜,利用表面電荷和原位插層方法分別制備了兩種MXene聚合物柔性自支撐復(fù)合物膜。這三類MXene基柔性膜具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電性和優(yōu)異的體積比容量、倍率特性和循環(huán)穩(wěn)定性。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TM53;TQ127.11
【圖文】：

Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｓｔｏｒａｇｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ邋ｃａｐａｃｉｔｏｒ逡逑電化學(xué)電容也即超級(jí)電容是通過在多孔炭表面可逆的通過靜電進(jìn)行離子的積累而逡逑存儲(chǔ)能量的一類儲(chǔ)能設(shè)備（圖１．１）。丨超級(jí)電容器（或稱之為電化學(xué)電容器，逡逑ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ邋ｃａｐａｃｉｔｏｒ）的儲(chǔ)能機(jī)理與傳統(tǒng)的平行板電容器一樣，只是超級(jí)電容器通過逡逑利用比表面積高達(dá)數(shù)千的多孔炭作為電極材料，利用電極材料／電解液界面形成的厚度只逡逑有數(shù)納米的雙電層作為介電物質(zhì)，在上述的三項(xiàng)容量限制因素方面同時(shí)改善電容器，因逡逑此這類電化學(xué)電容器單個(gè)設(shè)備具有遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電容器的容量，其容量可達(dá)到幾十上百法，逡逑－２－逡逑

雙電層的發(fā)展較早，早在１９世紀(jì)ｖｏｎ邋Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ在其研究膠體懸浮液的工作中首次逡逑提出了雙電層概念的模型。［９］該模型提出了在電極／電解液界面形成了電荷相反的兩個(gè)層，逡逑類似平板電容器，兩極板間距為原子尺度（圖１．３ａ）。隨后Ｇｏｕｙ和Ｃｈａｐｍａｎ對(duì)Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ逡逑－４－逡逑

本文編號(hào)：2736711