基于滸苔多級孔碳材料的可控合成及其儲能性能研究.pdf

1、隨著時代進步，人們對新型可移動儲能設備的需求越來越高。鋰離子電池（lithium-ion batteries，LIBs）、超級電容器（supercapacitors，SCs）等高效儲能設備的需求引發(fā)了人們對設計高性能先進電極材料的興趣?；钚蕴迹╝ctive carbon，AC）因具有較高的比表面積、良好的導電性以及化學穩(wěn)定性，成為近40年來儲能電極材料的研究熱點。但作為儲能材料而言，其孔隙結構較為單一，大量的微孔（＜2nm）結構雖然能大

2、大增加其比表面積，但是由于微孔材料的孔徑與電解質離子不相容，便會顯著降低活性碳的可用的表面積。因此制備孔隙更為發(fā)達的高比表面積多級孔碳材料（hierarchical pore carbon，HPC）則成為改善碳電極材料性能的重要途徑。
　　生物質材料因其獨特的三維立體結構，且兼具可再生的、綠色環(huán)保等特點，可作為開發(fā)HPC材料的良好碳源。本論文利用滸苔藻類為生物質碳源，從滸苔自身特有的管狀多孔結構出發(fā)，引入氣凝膠制備工藝，優(yōu)化活化流

3、程，制備出富含多級孔結構的高比表面積碳氣凝膠材料（hierarchical porous carbonaceous aerogel, HPCA）。并以該多級孔碳材料為基底，制備了Co3O4@HPCA復合材料以及PANI@HPCA復合材料。主要研究內容如下:
　　1.滸苔多孔碳的可控合成及其儲能性能。
　　利用冷凍干燥法制備滸苔氣凝膠材料，將滸苔氣凝膠經(jīng)過高溫碳化、KOH活化制備具有微孔（micropore）、介孔（mesop

4、ore）、大孔（macropore）的多級孔結構的碳氣凝膠材料，其比表面積可達1900~2200m2 g-1。在此結構中，大量介孔的存在，使材料的離子導電率得以改善，使其有效比表面積增大，明顯提高其鋰離子電池的性能與超級電容器的性能。作為鋰離子電池負極材料，在0.1A g-1的電流密度下，可以達到827.1mAh g-1的比容量。作為超級電容器電極材料，在1A g-1的電流密度下，可以達到260.6F g-1的比容量，且具備良好的循環(huán)穩(wěn)

5、定性（在10A g-1的電流密度下循環(huán)充放電10000次，容量保持率為91.7%）。其優(yōu)異的儲能性能得益于滸苔多孔碳發(fā)達的孔隙結構。
　　2.滸苔多孔碳與Co3O4復合材料的合成及其儲能性能。
　　將滸苔多孔碳材料作為基底，以水熱方式，將Co3O4納米線與滸苔多孔碳原位復合，制備Co3O4@HPCA復合材料。滸苔多孔碳的引入不僅可以改善Co3O4納米線導電性差的問題，而且對提高Co3O4電極材料的功率密度以及穩(wěn)定性都有所幫助

6、，使得材料的贗電容性能得以充分展現(xiàn)。Co3O4@HPCA復合材料在1A g-1的電流密度下，可以達到1167.6F g-1的比容量，在50A g-1的大電流密度下，仍可保持500.0F g-1的比容量。另外，在10A g-1的電流密度下經(jīng)過萬次充放電，容量保持率為92.4%。復合材料的性能遠高于Co3O4納米線本身。
　　3.滸苔多孔碳與PANI復合材料的合成及其儲能性能。
　　將聚苯胺（polyaniline，PANI）原