超級(jí)電容器用層次多孔炭材料的制備及其性能優(yōu)化.pdf

1、活性多孔炭因具有良好的導(dǎo)電性，優(yōu)良的物理化學(xué)穩(wěn)定性，以及相對(duì)低廉的價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)而成為使用最廣泛的超級(jí)電容器電極材料。但它以微孔為主，由于離子在彎曲而不規(guī)則的微孔中傳輸較慢，甚至無(wú)法到達(dá)某些微孔深處，因此限制了其有效利用率，也影響了其倍率性能和功率特性。但如果對(duì)其孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)，使之具備微孔、介孔和大孔分級(jí)孔組合的層次多孔結(jié)構(gòu)，其中大孔可作為離子緩沖池縮短離子擴(kuò)散的距離，介孔可以促進(jìn)雙電層的形成，并減小離子傳輸?shù)淖杩?，而微孔則可為雙電

2、層電容的形成提供主要場(chǎng)所，從而獲得高性能的新型超級(jí)電容器用炭材料。因此，本論文設(shè)計(jì)并制備了具有微孔、介孔和大孔分級(jí)孔組合的層次多孔炭材料，且在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改性研究，顯著改進(jìn)了其性能，取得了一系列有意義的成果。本論文的主要研究工作如下：
　　(1)將碳化鉻在700℃氯化反應(yīng)3 h后，用濃度為16 mol L-1的硝酸進(jìn)一步處理得到了具有表面官能團(tuán)的層次多孔碳化鉻衍生炭，并探討了活化工藝條件對(duì)所制備的層次多孔碳化

3、鉻衍生炭結(jié)構(gòu)和性能的影響。研究表明，所得碳化鉻衍生炭材料具有微孔、介孔和大孔分級(jí)孔組合的層次多孔結(jié)構(gòu)，經(jīng)硝酸處理后所得到的表面官能團(tuán)修飾的層次多孔碳化鉻衍生炭材料的比表面積和孔容降低了，但電化學(xué)性能卻提高了，因?yàn)槠浔砻娴墓倌軋F(tuán)能提高材料的親水性，并增加其贗電容。在100 ℃硝酸處理所得到的層次多孔碳化鉻衍生炭C(Cr3C2)-M100在掃描速率為5 mV s-1時(shí)的比電容為209 F g-1，在電流密度為1 A g-1時(shí)的比電容為206

4、.5 F g-1，在5000次恒流充/放電循環(huán)后的比電容保持率可達(dá)90％。
　　(2)以糠醇為碳源，以十六烷基三甲基溴化銨、聚丙烯酸、正硅酸乙酯為模板，在水熱條件下合成了內(nèi)部孔道互通的層次多孔炭微球(HPCMS)，并探討了原料配比對(duì)所合成材料結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)糠醇與正硅酸乙酯摩爾比為2:1時(shí)，所得層次多孔炭微球HPCMS-2的比表面積最大(709 m2 g-1)，電化學(xué)性能也最好。HPCMS-2電極材料在掃描速率

5、為5mV s-1時(shí)比電容為171 F g-1，在電流密度為1 A g-1時(shí)比電容為221 F g-1。以HPCMS-2為電極材料組裝成的超級(jí)電容器經(jīng)5000次循環(huán)后，其比電容仍能保持在50 F g-1。
　　(3)以二氧化硅微球納米陣列為硬模板，以三嵌段共聚物PEO20PPO70PEO20(P123)為軟模板，以蔗糖為碳源，成功合成了三維有序?qū)哟味嗫滋坎牧?3D HOPC)，并探討了所用二氧化硅微球的粒徑對(duì)所合成材料結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性

6、能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)二氧化硅微球粒徑為80 nm時(shí)，所合成的三維有序?qū)哟味嗫滋坎牧?D HOPC-80的比表面積最高(709 m2 g-1)，電化學(xué)性能也最好。3D HOPC-80電極材料在掃描速率為5 mV s-1和電流密度為1 A g-1時(shí)的比電容分別高達(dá)243.5 F g-1和247 F g-1。以3D HOPC-80為電極材料組裝而成的超級(jí)電容器，經(jīng)歷10000次循環(huán)后比電容保持率可達(dá)91％。
　　(4)通過(guò)在三維有序大

7、孔炭材料表面包覆聚苯胺并碳化，再對(duì)其進(jìn)行 KOH活化處理，成功地得到了具有表面官能團(tuán)的三維層次多孔炭材料(N-3DHPC)。結(jié)果表明，它基本保留了原始三維大孔炭材料的形貌，比表面積高達(dá)1084 m2 g-1。以N-3DHPC為電極材料組裝成的超級(jí)電容器在電流密度為1 A g-1時(shí)，比電容高達(dá)77.1 F g-1。其在10000次循環(huán)之后的比電容仍能維持在76.1 F g-1，比電容保持率高達(dá)96％。當(dāng)它的功率密度為500 W kg-1時(shí)