双模板法制备有序介孔碳复合材料及其电化学性能研究

发布时间：2020-05-12 08:37

【摘要】：超级电容器作为一种新型电化学储能装置,因具有功率密度大、循环寿命长以及环境友好等特性而引起广泛关注。电极材料是决定其电容特性的关键因素,其中有序介孔碳材料(OMC)因孔隙结构发达、比表面积较大以及孔径适中等优点成为超级电容器电极材料的研究热点。然而,单纯的有序介孔碳应用于超级电容器仍存在能量密度低的问题。石墨烯具有理论比表面积大、理论比容量高、导电性好,MnO2具有理论比电容高,将有序介孔碳与石墨烯、MnO2复合有望能够利用它们各自的优势,提升OMC比容量的同时,弥补石墨烯自身易团聚,MnO2电导率低的缺点,达到提升超级电容器能量密度的目的。本文针对碳基超级电容器能量密度低的问题,提出了将OMC与磺化石墨烯(SG)、MnO2复合,致力于制备出一种高性能的超级电容器电极材料。主要研究内容和结论如下:(1)为了提高有序介孔碳的比表面积,第二章选择正硅酸四乙酯(TEOS)和三嵌段共聚物F127为双模板剂,酚醛树脂预聚体为碳源,通过溶剂挥发自组装的方法,制备高度有序的介孔碳/二氧化硅复合材料,然后用NaOH溶液除去SiO2骨架进一步造孔得到有序介孔碳材料(OMC)。通过对比分析不同碳与SiO2比例、不同碳化温度对材料的微观结构和电化学性能的影响,得出最佳条件。其中,在800℃下,OMC-40材料孔隙发达,比表面积高达1794.09m2/g。电化学测试结果表明,在1.0A/g的电流密度下,OMC-40电极材料的比电容量高达196.6F/g,5000次循环后比电容是初始比电容的98.9%。OMC相互连通的介孔通道有利于电解质离子运输,因而具有比常规高比表面积活性炭高的倍率性能,是具有储能前景的超级电容器电极材料。(2)为了提升OMC的电导率,在第二章获得OMC的基础上,第三章选择高导电石墨烯和有序介孔碳复合的方法制备出具有优异电化学性能的OMC/SG复合材料。通过XRD,TEM,XPS等测试手段对OMC/SG结构分析。结果表明,OMC/SG复合材料具有高度有序的二维六方p6mm介观结构,晶格尺寸和孔径分别接近10nm和4nm。磺化石墨烯通过共价键和氢键结合到互穿网络结构中,并且高度分散在OMC基质中。OMC/SG复合材料的比表面积高达1708.78 m2/g,介孔比例高达80%。作为超级电容器电极材料,OMC/SG在1.0 A/g下的比电容高达314.2 F/g,远高于OMC电极的196.6 F/g。此外,OMC/SG复合材料具有良好的倍率性能(在电流密度高达100 A/g时,相对于0.5 A/g电容保留率为71.9%)和优异的循环稳定性(经过5000次循环后,比容量保留101.1%)。特别提到的是,在1 A/g时,OMC/SG的面积比容量(Cs)增加到18.4nF/cm2,远大于碳基材料。OMC/SG复合材料互连的多孔结构有利于电解质进入和快速扩散,而磺化石墨烯还可以促进电子的传输并提供电极与电解质更好的界面润湿性,由此获得优异的电荷储存性能。(3)为了进一步提升OMC/SG的比容量,MnO2因为具有极高的理论比电容(1370 F/g),在OMC/SG材料表面通过与KMnO4氧化还原反应获得有序介孔碳/MnO2复合材料(C/MnO2),其中,高比表面积、高导电性的OMC/SG不仅作为MnO2生长的基板,而且还作为导电通道增强电化学性能。SEM、TEM、XRD结果表明,MnO2是直径约为5nm的单斜δ-MnO2纳米线,C/MnO2-110具有双峰孔结构和较高的比表面积(684.25m2/g)。与C/MnO2-0相比,由于MnO2的法拉第氧化还原反应,C/MnO2电化学性能显着增强,其中,最佳组分C/MnO2-110在6M KOH电解质中表现出优异的电化学性能,在0.5 A/g电流密度下比电容高达756.2 F/g。以C/MnO2-110为正极和C/MnO2-0为负极组装成非对称超级电容器在450 W/kg的功率密度下表现出高达34.56 Wh/kg的能量密度,5000次循环后容量保留率仍高达87%。C/MnO2优异的电化学性能使其在超级电容器电极材料具有巨大的潜力。
【图文】：

命、简单易行的工作原理以及低维护成本而受到广泛关注［７’８１。它比电池提供更高逡逑的功率密度，比物理电容器储存更多的能量，填补了电池与传统电容器之间的空逡逑白，如图１（ａ）所示。虽然现有商用超级电容器的能量密度远远高于传统的介电电逡逑容器，但它仍然明显低于锂电池和燃料电池。因此，迫切需要发展高能量密度的逡逑超级电容器。逡逑１ＣＫ逦１０？’逦１逦１０逦ｌｔＦ逦１｛Ｐ逡逑ＳｐｃｃＫｉｔ邋ｅｎｅｔ0ｙ邋｜Ｗｈ邋ｋｆｌ－＇ｌ逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图１．１各种电能存储设备的Ｒａｇｏｎｅ图（ａ），超级电容器的电极材料（ｂ）逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｒａｇｏｎｅ邋ｐｌｏｔ邋ｏｆ邋ｖａｒｉｏｕｓ邋ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｓｔｏｒａｇｅ邋ｄｅｖｉｃｅｓ邋（ａ）ｌ？１，邋ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ邋ｆｏｒ逡逑ｓｕｐｃｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓ邋（ｂ）逡逑１逡逑

１．２．１超级电容器的分类逡逑在电荷存储机制方面，，超级电容器的能量存储／转换过程有三种不同的方式，逡逑如图１．２所示。第一类是电解液离子在电极材料表面进行吸附／解吸的静电方式储逡逑存能量，称为双电层电容器（ＥＤＬＣ），邋ＥＤＬＣ的比容量与电解质离子可接近电极材逡逑料的比表面积成比例。第二类是电解质离子和电极活性物质发生快速可逆的法拉逡逑第反应而储存电荷的法拉第赝电容器。第三类是由双电层电容器和赝电容器混合逡逑体系构成的混合型超级电容器［９］。逡逑Ｌｏａｄ逡逑惠象画，ｊｐｉｌ逡逑Ｐｏｓ．ｔｉｖｅ邋｜！：；逦：＝邋ｉ：ｇ邋Ｎｅｇａｆｖｅ邋Ｅ｜ｅｃｔｒ0ｄｅ邋—邋Ｔ邋｜逦：逦Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ邋＊邋＾逦Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ逡逑—ＩＩ邋Ｓ邋Ｉ逡逑ｌ邋W ｊ邋Ｉ逦Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ逦｜邋ｊ邋二逡逑Ｅｌｅｃｔｒ＾Ｔ邋Ｊ邋Ｉｔｏｒｏｌｙｔｅ逦Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ逦Ｅｌｅｃｔｒｏｉ＾Ｔ邋｜邋ＩＳｔｒｏｔｙｔｅ逡逑ＳｅＰａｒａｔｏｒ逦Ｓｅｐａｒａｔｏｒ逦Ｓｅｐａｒａｔｏｒ逡逑（ａ）逦（ｂ）逦（ｃ）逡逑图１．２双电层电容器（ａ），赝电容器（ｂ）和混合电容器（Ｃ）的原理示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｆｏｒ邋ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｄｏｕｂｌｅ邋ｌａｙｅｒ邋ｃａｐａｃｉｔｏｒ邋（ａ），邋ｐｓｅｕｄｏｃａｐａｃｉｔｏｒ邋（ｂ）邋ａｎｄ逡逑ｈｙｂｒｉｄ邋ｃａｐａｃｉｔｏｒ邋（ｃ）１＇０１逡逑（１）
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;TM53

【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 余泉茂;王仁清;;石墨烯制备及其在超级电容器中的应用研究[J];材料导报;2012年15期

本文编号：2659949