超級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電性，優(yōu)良的物理化學穩(wěn)定性，以及相對低廉的價格等優(yōu)點而成為使用最廣泛的超級電容器電極材料。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，甚至無法到達某些微孔深處，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。但如果對其孔結構進行有效的設計，使之具備微孔、介孔和大孔分級孔組合的層次多孔結構，其中大孔可作為離子緩沖池縮短離子擴散的距離，介孔可以促進雙電層的形成，并減小離子傳輸?shù)淖杩梗⒖讋t可為雙電

2、層電容的形成提供主要場所，從而獲得高性能的新型超級電容器用炭材料。因此，本論文設計并制備了具有微孔、介孔和大孔分級孔組合的層次多孔炭材料，且在此基礎上，通過對材料進行結構優(yōu)化和改性研究，顯著改進了其性能，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3 h后，用濃度為16 mol L-1的硝酸進一步處理得到了具有表面官能團的層次多孔碳化鉻衍生炭，并探討了活化工藝條件對所制備的層次多孔碳化

3、鉻衍生炭結構和性能的影響。研究表明，所得碳化鉻衍生炭材料具有微孔、介孔和大孔分級孔組合的層次多孔結構，經硝酸處理后所得到的表面官能團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，但電化學性能卻提高了，因為其表面的官能團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時的比電容為209 F g-1，在電流密度為1 A g-1時的比電容為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部孔道互通的層次多孔炭微球(HPCMS)，并探討了原料配比對所合成材料結構和電化學性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當糠醇與正硅酸乙酯摩爾比為2:1時，所得層次多孔炭微球HPCMS-2的比表面積最大(709 m2 g-1)，電化學性能也最好。HPCMS-2電極材料在掃描速率

5、為5mV s-1時比電容為171 F g-1，在電流密度為1 A g-1時比電容為221 F g-1。以HPCMS-2為電極材料組裝成的超級電容器經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層次多孔炭材料(3D HOPC)，并探討了所用二氧化硅微球的粒徑對所合成材料結構和電化學性

6、能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當二氧化硅微球粒徑為80 nm時，所合成的三維有序層次多孔炭材料3D HOPC-80的比表面積最高(709 m2 g-1)，電化學性能也最好。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時的比電容分別高達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電容器，經歷10000次循環(huán)后比電容保持率可達91％。
　　(4)通過在三維有序大

7、孔炭材料表面包覆聚苯胺并碳化，再對其進行 KOH活化處理，成功地得到了具有表面官能團的三維層次多孔炭材料(N-3DHPC)。結果表明，它基本保留了原始三維大孔炭材料的形貌，比表面積高達1084 m2 g-1。以N-3DHPC為電極材料組裝成的超級電容器在電流密度為1 A g-1時，比電容高達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96％。當它的功率密度為500 W kg-1時