多孔炭材料的可控制備及其電化學性能研究.pdf

1、超級電容器具有較高的功率密度、優(yōu)異的倍率性能、快速充/放電特性、超長的循環(huán)壽命以及原理簡單、維護費用低等優(yōu)點，因此在世界范圍內(nèi)引起了科研工作者的廣泛關注。炭材料具有較高的比表面積及良好的導電性被廣泛應用于超級電容器的電極材料。研究表明，炭材料的電化學性能與其比表面積、孔結構和表面化學性質(zhì)密切相關。本論文采用不同的模板制備了具有不同形貌和孔結構的多孔炭材料，并采用掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線衍射、拉曼光譜、X射線光電子能譜等技術

2、對多孔炭材料的微觀結構和表面性質(zhì)進行表征，采用循環(huán)伏安法、恒流充放電法及交流阻抗法詳細研究了電極材料的電化學性能。
　　以中孔SiO2為模板，以瀝青為碳源經(jīng)過高溫碳化制備了中孔炭材料（MCSF）。結果表明，制備的MCSF具有較高的比表面積（582 m2?g–1）。當掃描速度為5 mV?s–1時， MCSF電極比容量最高可達264F?g–1；當掃描速度增大至1000 mV?s–1時其比容量為194 F?g–1，保持率為74％，表明該

3、電極材料具有優(yōu)異的倍率特性。連續(xù)循環(huán)5000次后其比容量僅衰減了9%，說明MCSF具有優(yōu)異的電化學穩(wěn)定性。組裝的對稱電容器能量密度可達9.6 Wh?kg–1，其最大功率密度可達119.4kW?kg–1。
　　以CNTs/MnO2為模板，以C2H2為碳源，采用化學氣相沉積法制備了CNT-HCS。研究結果表明，CNT-HCS的比表面積可達500.6 m2?g–1。當電流密度為0.5 A?g–1時，其比容量可達201.5 F?g–1。另

4、外，CNT-HCS電極具有優(yōu)異的倍率特性，當電流密度升高到20 A?g–1時，比容量仍能保持69%。組裝的對稱電容器能量密度最高可達11.3 Wh?kg–1。
　　分別以花瓣狀ZnO、瀝青、KOH為模板、碳源和活化劑，采用高溫碳化、活化的方法制備了具有花瓣狀結構的分層次多孔炭材料（FHPC）。當掃描速度為2 mV?s–1時FHPC電極的比容量可達294 F?g–1。當掃描速度為500mV?s–1時，比容量仍能保持71%，說明FHP

5、C電極具有優(yōu)異的電化學性能。組裝的FHPC//FHPC對稱電容器在1 mol?L–1 Na2SO4溶液中能量密度可達15.9 Wh?kg–1。由于其優(yōu)異的倍率特性，對稱電容器的功率密度可達222 kW?kg?1。
　　采用Mg(OH)2為模板在低溫下制備了富含含氧官能團的石墨烯FGN-300。系統(tǒng)研究了熱處理溫度對材料表面化學性質(zhì)及電化學性能的影響。研究結果表明，當熱處理溫度為300℃時材料具有優(yōu)異的電化學性能。FGN-300不僅

6、具有較高的質(zhì)量比容量而且具有很高的體積比容量，在6 mol?L–1KOH溶液中其積比容量可達470 F?cm–3。另外，組裝的對稱電容器在水性電解液中具有超高的體積能量密度（27.2 Wh?L–1）和較高的循環(huán)穩(wěn)定性，循環(huán)10000次后，其比容量是初始容量的134%。優(yōu)異的電化學性能主要歸因于其較高的有效比表面積、較低的孔體積以及穩(wěn)定的含氧官能團。因此， FGN-300有望滿足對緊湊型便攜式能量存儲裝置的需求。
　　以石墨烯/中孔

7、 SiO2為模板，采用原位聚合法制備了石墨烯/中孔聚苯胺復合材料（G-mPANI）。研究發(fā)現(xiàn)，制備的G-mPANI呈現(xiàn)較薄的片層結構，表面上包覆的PANI具有相互連接的網(wǎng)絡結構，并且G-mPANI中存在大量中孔結構。結果表明，G-mPANI具有較高的比容量、優(yōu)異的倍率特性和循環(huán)穩(wěn)定性，當電流密度為0.5 A?g–1時其比容量可達749 F?g–1。優(yōu)異的電化學性能主要歸因于其獨特的結構特點。此外，采用高溫碳化的方法制備了氮摻雜多孔石墨烯