碳材料的制備、改性及其電化學電容性能研究.pdf

1、隨著傳統(tǒng)化石能源的日益短缺和使用化石能源帶來的環(huán)境污染問題日益嚴峻，21世紀的人們迫切需要開發(fā)新型綠色、可持續(xù)、高能效的清潔能源。超級電容器是一種新型能源儲存器件，兼有傳統(tǒng)電容器和電池的優(yōu)點，比如功率密度大、充放電速度快、循環(huán)穩(wěn)定性好、環(huán)境友好等。而超級電容器電化學性能主要取決于電極材料，人們?yōu)橹苽涑隼硐氲某夒娙萜麟姌O材料做出了很多努力。本文在大量文獻調(diào)研的基礎上，將研究重點放在經(jīng)久不衰又充滿活力的碳材料上，以提高碳材料作為超級電容器

2、電極材料的電化學性能為核心，開展了以下三個工作：
　?。?）熱膨脹法是一種快速制備大量優(yōu)質(zhì)石墨烯的有效方法，人們通常認為影響熱膨脹石墨烯微觀結構和性能的主要因素為環(huán)境氣壓、溫度和使用的酸或者有機物的種類，但尚無人關注熱膨脹之前用到的物理處理過程是否有意義，酸的加入是否有副作用。我們以氧化石墨粉（Graphite Oxide，GO）為原料，通過比較不同物理前處理和不同酸輔助制備的熱膨脹石墨的微觀結構和電容性能發(fā)現(xiàn)：不同的前處理方法對

3、石墨烯的微觀結構、比表面積和電化學性能有很大影響。物理前處理能在剪切GO的同時對其進一步氧化，這有利于GO在熱還原過程中的膨脹和剝離，并且超聲比攪拌的效果更好。與文獻報道的不同，在超聲過程中引入酸反而會導致熱膨脹石墨烯比表面積的縮小，這是因為酸會引起 GO強烈的自組裝和一定程度上的聚沉。不過，在熱膨脹過程中酸會分解，并與碳原子發(fā)生反應，從而產(chǎn)生更多的孔，豐富的孔結構有利于電解液的快速擴散。作為超級電容器電極材料，除了比表面積，孔結構也會

4、對其電化學性能產(chǎn)生影響，實驗證明酸輔助超聲得到的石墨烯雖然比表面積有所減小，但由于孔結構的改善，電化學性能更好，比電容高達238 F g-1。物理前處理和不同揮發(fā)性酸對熱膨脹石墨烯具體的作用在本文的第三章進行了詳細討論。
　?。?）基于上述對熱膨脹石墨烯制備過程的研究成果，我們選擇了在超級電容器中應用最早的活性炭(ACs)，對碳材料的制備過程進行進一步探究和優(yōu)化。我們以生物質(zhì)為碳源，不同于傳統(tǒng)的有機物熱解—堿活化制備活性炭的方式，

5、采用H2O2/HAc活化—碳化法制備出了高性能活性炭。以蓮蓬殼為原材料，用H2O2/HAc混合液對其進行水熱活化后，在700 ℃碳化得到電化學性能優(yōu)異的活性炭（C-H2O2/HAc）。C-H2O2/HAc的比表面積高達1056 m2 g-1，在0.5 A g-1下的比電容為330 F g-1。為分析不同處理過程對產(chǎn)物微觀結構和電化學性能的影響，我們還考察了單一組分對蓮蓬的活化效果。分析測試結果表明：在水熱過程中，H2O2對蓮蓬殼有腐蝕和

6、促進氧化的作用，有利于碳化過程中形成更多的孔；HAc可以促進蓮蓬殼在碳化過程中剝離得到更為疏松的活性炭薄層。這種制備活性炭的方法為碳化生物質(zhì)材料并應用到能源存儲方面提供了一種新的途徑。
　?。?）有序介孔碳（OMC）擁有形成雙電層電容所需的大比表面積和合適孔道，是超級電容器中理想的支撐材料，但其儲能方式單一，能量密度偏低。聚苯胺（PANI）是具有高度可逆氧化還原反應的贗電容材料，比電容高，但材料結構易坍塌，循環(huán)穩(wěn)定性差。將 OMC

7、和 PANI復合用于超級電容器的文獻報道有很多，本文以Mn2O3為犧牲模板，不僅將PANI有效地固定在了OMC上，還實現(xiàn)了在OMC上不同PANI負載量的控制合成。微觀結構分析表明，PANI薄膜均一地覆蓋在OMC上，通過調(diào)控 Mn2O3/OMC中 Mn2O3的量能有效的控制合成 PANI負載量不同的PANI/OMC復合材料。作為超級電容器電極材料，PANI/OMC復合材料的比電容高達467 F g-1，遠高于單一的OMC、Mn2O3/OM