溶劑熱法制備碳基材料及超級(jí)電容器性能的研究.pdf

1、相對(duì)于化學(xué)電池而言,超級(jí)電容器因其具有高的功率密度和良好的循環(huán)穩(wěn)定性，成為一種新型的能量存儲(chǔ)裝置。目前，碳材料是商業(yè)超級(jí)電容器中應(yīng)用最多的電極材料。本文采用溶劑熱的方法制備了一系列的新型碳基電極材料。通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分別得到了不同雜原子摻雜、不同形貌與結(jié)構(gòu)、不同孔徑分布的多孔碳材料。采用循環(huán)伏安法和充放電測(cè)試，研究了碳基材料的形貌、結(jié)構(gòu)、比表面積、孔徑分布等因素對(duì)碳基材料超級(jí)電容器性能的影響。揭示了雜原子摻雜和納米材料的結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能之間

2、的關(guān)系。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果歸納如下：
　?。?）通過溶劑熱法控制合成了非定向的硼碳氮納米管和垂直定向生長的硼碳氮納米管陣列(VA-BCNNT)，通過電鏡和XPS測(cè)試可知，合成的BCN納米管是B、C和N三種原子雜化鍵合而成的六方相結(jié)構(gòu)，納米管長度約2μm，直徑約為250nm。對(duì)所制備的材料進(jìn)行了電化學(xué)測(cè)試，VA-BCNNT表現(xiàn)出了良好的質(zhì)量比電容和倍率性能，其在電流密度為0.2A g-1下，具有547F g-1的質(zhì)量比電容，這充分說

3、明了B原子和N原子的摻雜、有序的垂直陣列的結(jié)構(gòu)都能夠大大的提高碳材料的電化學(xué)性能。
　?。?）采用溶劑熱法制備出具有較高密度的摻氮碳微球（CM-N）和氮氟共摻碳微球（CM-NF）電極材料。通過掃描電鏡表征測(cè)試看出制備的碳微球球形度表現(xiàn)出很好的一致性，氮、氟元素均勻分布在球體中。對(duì)所制備的樣品進(jìn)行了電化學(xué)測(cè)試， CM-NF為電極材料表現(xiàn)出了最高的體積比電容，其在電流密度為0.2A g-1下，具有521F cm-3的體積比電容。制得的

4、碳微球在循環(huán)充放電10000次后，其電容量幾乎沒有損失，展示出極高的穩(wěn)定性。通過原位XRD和掃描電鏡對(duì)電化學(xué)測(cè)試過程中的機(jī)理分析得出CM-NF電極在充放電過程中沒有產(chǎn)生新的化合物。最后通過DFT計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步證明了氮、氟共摻雜會(huì)大幅度提高電極材料的導(dǎo)電性，從而有利于提高CM-NF在電化學(xué)過程中的電子躍遷及其電容大小。
　　（3）采用溶劑熱法，首先制備出具有較高密度的碳氮前驅(qū)體，再通過控制KOH的加入量來制備具有不同比表面積和不同孔

5、徑分布的氮摻雜活性炭。通過 XPS和BET測(cè)試可知，KOH的加入量不僅能夠影響氮元素在材料中的比例，還對(duì)活性炭的結(jié)構(gòu)和形貌有很重要的影響。從所制備的樣品進(jìn)行了電化學(xué)測(cè)試可知，KOH與碳氮前驅(qū)體質(zhì)量比為0.5時(shí)制備的氮摻雜的活性炭（MAC-N-0.5）電極材料表現(xiàn)出了最高的質(zhì)量比電容和體積比電容，其在電流密度為0.2A g-1下，分別具有385F g-1和573F cm-3的體積比電容，同時(shí)，MAC-N-0.5在20A g-1的電流密度下

6、的體積比電容為495F cm-3，容量保持率為86.3％，并且循環(huán)充放電10000次，其電容量幾乎沒有損失，展示出極高的穩(wěn)定性。以MAC-N-0.5作為電極材料，組裝成對(duì)稱型雙電極超級(jí)電容器進(jìn)行了電化學(xué)性能測(cè)試。結(jié)果表明，該裝置在體積功率密度12.1KW/h，依然得到了一個(gè)較高的體積能量密度13.5Wh/L，這說明了該裝置具有高的功率性能，是一種有前途的能量存儲(chǔ)裝置。
　?。?）采用溶劑熱法，以單一的有機(jī)溶劑乙腈為原料制備出一種易

7、于合成、可大量生產(chǎn)的含氮量高的碳材料。工藝簡(jiǎn)單且副產(chǎn)物可以循環(huán)使用。對(duì)前驅(qū)體碳氮材料進(jìn)行化學(xué)活化獲得一種多孔碳氮材料（N-AC）。BET和XPS測(cè)試可知，制備的N-AC具有一定的孔道結(jié)構(gòu)，摻雜的氮元素主要以吡啶氮（N6）和吡咯氮（N5）的形式存在。以 N-AC和商業(yè)活性炭為電極材料組裝成超級(jí)電容器，通過電化學(xué)測(cè)試表明，其在電流密度為0.1A g-1下，分別具有454 F cm-3和143 F cm-3的體積比電容?？梢钥闯觯琋-AC的體