多級孔先進碳材料的制備及其雙電層電容性能研究.pdf

1、超級電容器作為一種新型的能量儲存裝置以其高功率密度、優(yōu)異的倍率性能、良好的循環(huán)性能和工作溫度范圍寬、安全性能高等優(yōu)點在混合動力汽車驅(qū)動電源、不間斷電腦電源、電力系統(tǒng)、存儲備份系統(tǒng)和冷態(tài)啟動系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域扮演了重要角色。目前應(yīng)用領(lǐng)域最廣,商業(yè)化最成熟的超級電容器電極材料仍是碳質(zhì)材料。碳材料不僅來源廣泛、價格低廉,而且具有比表面積大和孔徑可以調(diào)控等優(yōu)點,因此備受研究者青睞。本論文力求探索出既簡單易行又經(jīng)濟環(huán)保的方法制備性能優(yōu)異的超級電容器碳

2、材料,期許在超級電容器中得到商業(yè)化應(yīng)用。本論文主要的研究工作如下:
　　(1)以有機單體N-羥乙基苯胺為前驅(qū)體,采用軟模板法一鍋合成聚N-羥乙基苯胺,再經(jīng)過KOH化學(xué)活化制得氮摻雜多孔碳材料。采用掃描和透射電子顯電鏡、X射線衍射、比表面積測試和X射線光電子能譜等手段對所制得的氮摻雜多孔碳材料的結(jié)構(gòu)和組分進行了表征。結(jié)果表明,在800℃活化制得氮摻雜多孔碳材料具有類似花生殼狀的形貌和大量的中微孔結(jié)構(gòu)、高的比表面積（高達3103m2

3、g-1）,電流密度1A g-1時單電極比電容最高可達356F g-1,且具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和高的功率密度和能量密度,綜合性能優(yōu)于商業(yè)化活性碳。
　　(2)利用原位自組裝模板法合成結(jié)構(gòu)新穎的三維多孔氮摻雜碳氣凝膠。以PVA/PEA（N-羥乙基苯胺）作為前驅(qū)體和硼酸(BA)作為交聯(lián)劑和原位模板,通過硼酸離子[B(OH)4-1]與PVA的羥基或PNPEA的羥基分子內(nèi)脫水形成PVA-borate-PNPEA水凝膠骨架,再經(jīng)過冷凍干燥、碳

4、化和活化過程制備三維多孔碳氣凝膠。研究結(jié)果表明,三維多孔碳氣凝膠具有多級孔結(jié)構(gòu)、高的比表面積(2016m2 g-1)、雜原子摻雜以及超親水性等優(yōu)點,且具有高的比電容、良好的循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)異的倍率性能。制備方法具有簡單易行、成本低廉、產(chǎn)品電化學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)點,為實現(xiàn)產(chǎn)品在超級電容器中大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
　　(3)以原料易得、價格低廉的生物質(zhì)決明子為碳源和氮源,一步法制備出無定型多孔碳材料。通過調(diào)控活化劑草酸鉀的比例和溫度優(yōu)化出制