碳材料的制備、改性及其電化學(xué)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(yán)峻，21世紀(jì)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(jí)電容器是一種新型能源儲(chǔ)存器件，兼有傳統(tǒng)電容器和電池的優(yōu)點(diǎn)，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(jí)電容器電化學(xué)性能主要取決于電極材料，人們?yōu)橹苽涑隼硐氲某?jí)電容器電極材料做出了很多努力。本文在大量文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，將研究重點(diǎn)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(jí)電容器

2、電極材料的電化學(xué)性能為核心，開展了以下三個(gè)工作：
　　（1）熱膨脹法是一種快速制備大量?jī)?yōu)質(zhì)石墨烯的有效方法，人們通常認(rèn)為影響熱膨脹石墨烯微觀結(jié)構(gòu)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(jī)物的種類，但尚無人關(guān)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(jié)構(gòu)和電容性能發(fā)現(xiàn)：不同的前處理方法對(duì)

3、石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)、比表面積和電化學(xué)性能有很大影響。物理前處理能在剪切GO的同時(shí)對(duì)其進(jìn)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(xiàn)報(bào)道的不同，在超聲過程中引入酸反而會(huì)導(dǎo)致熱膨脹石墨烯比表面積的縮小，這是因?yàn)樗釙?huì)引起 GO強(qiáng)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(huì)分解，并與碳原子發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生更多的孔，豐富的孔結(jié)構(gòu)有利于電解液的快速擴(kuò)散。作為超級(jí)電容器電極材料，除了比表面積，孔結(jié)構(gòu)也會(huì)

4、對(duì)其電化學(xué)性能產(chǎn)生影響，實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)的改善，電化學(xué)性能更好，比電容高達(dá)238 F g-1。物理前處理和不同揮發(fā)性酸對(duì)熱膨脹石墨烯具體的作用在本文的第三章進(jìn)行了詳細(xì)討論。
　?。?）基于上述對(duì)熱膨脹石墨烯制備過程的研究成果，我們選擇了在超級(jí)電容器中應(yīng)用最早的活性炭(ACs)，對(duì)碳材料的制備過程進(jìn)行進(jìn)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(jī)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(duì)其進(jìn)行水熱活化后，在700 ℃碳化得到電化學(xué)性能優(yōu)異的活性炭（C-H2O2/HAc）。C-H2O2/HAc的比表面積高達(dá)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(duì)產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響，我們還考察了單一組分對(duì)蓮蓬的活化效果。分析測(cè)試結(jié)果表明：在水熱過程中，H2O2對(duì)蓮蓬殼有腐蝕和

6、促進(jìn)氧化的作用，有利于碳化過程中形成更多的孔；HAc可以促進(jìn)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(yīng)用到能源存儲(chǔ)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(jí)電容器中理想的支撐材料，但其儲(chǔ)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(yīng)的贗電容材料，比電容高，但材料結(jié)構(gòu)易坍塌，循環(huán)穩(wěn)定性差。將 OMC

7、和 PANI復(fù)合用于超級(jí)電容器的文獻(xiàn)報(bào)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(shí)現(xiàn)了在OMC上不同PANI負(fù)載量的控制合成。微觀結(jié)構(gòu)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(fù)載量不同的PANI/OMC復(fù)合材料。作為超級(jí)電容器電極材料，PANI/OMC復(fù)合材料的比電容高達(dá)467 F g-1，遠(yuǎn)高于單一的OMC、Mn2O3/OM