氮-硫摻雜多孔碳超級(jí)電容器電極材料制備及其應(yīng)用研究.pdf

1、隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的不斷增長(zhǎng)，人們對(duì)于化石能源的需求已經(jīng)達(dá)到前所未有的程度以及全球環(huán)境污染問題已經(jīng)威脅到人類的生存與發(fā)展。超級(jí)電容器、鋰離子電池等新型儲(chǔ)能設(shè)備作為一種綠色能源，因其具有廣泛的應(yīng)用前景，備受廣大學(xué)者關(guān)注。在眾多的新能源裝置中，超級(jí)電容器作為一種獨(dú)特的能量?jī)?chǔ)存設(shè)備，其具有比傳統(tǒng)電容器更高的能量密度，同時(shí)提供比電池更大的功率密度，為傳統(tǒng)的電容器和電池之間架起了重要的橋梁，越來越受到全球的關(guān)注。目前應(yīng)用電動(dòng)汽車等方面的

2、超級(jí)電容器具有能量密度不足、壽命短、成本高等缺點(diǎn)，而且電極材料是決定超級(jí)電容器性能的關(guān)鍵，因此研制一種能量密度高、成本低、穩(wěn)定性好的高性能電極材料是當(dāng)前迫切所需。碳材料是應(yīng)用最為廣泛的超級(jí)電容器電極材料，然而簡(jiǎn)單環(huán)保的碳材料制備過程以及對(duì)碳材料進(jìn)行改性等方面的報(bào)道還尚有研究的價(jià)值。
　　第一、探索了一種原材料豐富、綠色環(huán)保、高性價(jià)比的方法，即直接碳化法及KOH/NaOH活化制備辣椒秸稈活性炭，制備的辣椒秸稈活性炭活性炭電極材料具有

3、典型的雙電層電容特性。分別以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5％、5%、10%的乙炔黑為導(dǎo)電劑、0.5 mol/L H2SO4為電解質(zhì)探究導(dǎo)電劑影響時(shí)顯示5%含量的導(dǎo)電劑樣品具有更高的反應(yīng)電流和最優(yōu)的電容特性。分別以0.5 mol/L H2SO4、0.5 mol/L Na2SO4和1 mol/L KOH電解質(zhì)探究電解質(zhì)影響時(shí)顯示0.5 mol/L H2SO4因其離子外徑尺寸與材料孔徑相匹配，導(dǎo)致離子遷移率增加，電極材料具有最優(yōu)的電容特性。該材料具有制備過

4、程簡(jiǎn)單環(huán)保，電化學(xué)性能優(yōu)于一般商業(yè)活性碳粉，為商用超級(jí)電容器碳材料的制備方法提供了一種新思路。第二、借鑒上述材料的制備方法及結(jié)論，構(gòu)建了一種新型的氮/硫雙摻雜多孔碳超級(jí)電容器電極材料。該材料以聚乙烯亞胺（PEI）為碳源和氮源，硫酸亞鐵為活化劑，在氮?dú)鈿夥障陆?jīng)過兩次碳化及兩次酸洗，通過模板法在優(yōu)化其孔徑結(jié)構(gòu)的同時(shí)進(jìn)行了表面功能化制備了高電化學(xué)活性的氮/硫雙摻雜多孔碳超級(jí)電容器電極材料（NSMCs）。采用循環(huán)伏安法（CV）和恒流充放電技術(shù)（

5、GC）等電化學(xué)手段考察了電極材料的組分配比、電解質(zhì)優(yōu)化、超電容性能等方面。選取最優(yōu)的氮/硫雙摻雜多孔碳超級(jí)電容器電極材料，結(jié)合 X-射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、低溫氮?dú)馕摳角€、光電子能譜分析（XPS）等物理化學(xué)表征分析對(duì)材料的表面結(jié)構(gòu)及雜原子摻雜影響進(jìn)行了詳細(xì)的研究。結(jié)果表明模板法創(chuàng)造了 NSMCs高達(dá)1064 m2/g的比表面積以及多級(jí)孔徑結(jié)構(gòu)，使其在具有高的雙電層反應(yīng)面積的同時(shí)提供了低內(nèi)阻的離子擴(kuò)散渠道，便于電

6、解質(zhì)離子的擴(kuò)散傳輸。另外氮、硫雜原子的引入，不僅增加了碳材料親水性和潤(rùn)濕性，而且提供了一個(gè)更加極性的表面和可逆的偽活性點(diǎn)。此外二次加熱和酸洗降低了非活性物質(zhì)的含量，導(dǎo)致更多的偽活性位點(diǎn)（吡啶-N（N1）、石墨-N（N2）、噻吩S2p3/2(S1,163.9 eV)和噻吩S2p1/2（S2,165.1 eV））的暴露。將此材料進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，得到了一個(gè)在5 mV/s時(shí)高達(dá)232 F/g的比電容，且當(dāng)電流密度為1 A/g時(shí)比電容為280 F

7、/g，即使電流密度增加到100 A/g，其比電容仍具有83%的保持率。同時(shí)，經(jīng)過5000圈循環(huán)后，其比電容依舊沒有明顯下降，表明其具有非常優(yōu)秀的循環(huán)穩(wěn)定性。結(jié)果證實(shí)，模板法、碳化酸洗、氮/硫摻雜在不同程度上促成了該材料的高電化學(xué)活性。
　　第三、為了進(jìn)一步提高NSMCs的電化學(xué)性能，通過簡(jiǎn)單機(jī)械復(fù)合法合成了 NSMCs/CNTs復(fù)合電極材料，結(jié)果表明通過復(fù)合 CNTs 可以明顯提高材料的電化學(xué)性能，其最佳比電容高達(dá)300