多孔碳—石墨烯复合材料的制备及电化学性能研究

发布时间：2020-06-07 06:44

【摘要】：超级电容器作为一种新型储能器件,因其快速充放电、长循环寿命、高功率密度和绿色环保等卓越性能吸引了相当多的关注。而电极材料作为超级电容器的核心部件,其性能将决定超级电容器的比容量。针对这个问题,本文分别以石油沥青、酚醛树脂为碳前驱体,制备出多孔碳和多孔碳-石墨烯复合材料,用场发射扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线电子衍射(XRD)、氮气吸附脱附法(BET)、红外光谱(IR)、拉曼光谱(Raman)等表征方法对碳材料的形貌、比表面积、孔道结构等进行了研究,并测试了电化学性能。以石油沥青为碳前驱体,采用碳酸钙为硬模板,利用碳酸钙本身的占位和热分解放出气体所产生的造孔效应在碳化温度为650~950℃下成功制备出了多孔碳材料。研究表明,碳化温度对多孔碳的结构和形态有很大的影响,其中在碳化温度为850℃时制备的多孔碳材料PC-CaCO_3-850具有最佳的性能,它是由多孔片层有序堆叠而成,且具有较大比表面积、丰富的微孔和合理分布的孔结构;在三电极体系中具有较好的电容性能,包括较高的比容量(0.5A g~(-1)时,比容量高达267F g~(-1))和稳定的循环性(10A g~(-1)时,5000个循环周期后电容保持率为85.7%);两电极体系中,CV曲线和GCD曲线均表现出典型的电容行为。以酚醛树脂为碳前驱体,采用碱金属氯化物(LiCl、NaCl和KCl)为盐模板,在碳化温度为650~950℃条件下,通过一步法制备出多孔碳-石墨烯复合材料,其在超级电容器中表现出优异的电化学性能。结构和形态表征表明,所有的复合材料都具有特殊的三维结构,其由石墨烯片和化学生长其上的多孔碳组成,多孔碳充当间隔物以阻止石墨烯片的聚集。这种独特的结构由于其高比表面积、丰富的微孔/中孔/大孔、石墨烯的高导电性以及多孔碳与石墨烯之间的强化学相互作用,从而有助于离子在复合材料中的渗透/迁移。分别以三类碱金属氯化物为盐模板制备的碳材料最佳碳化温度均为750℃,其中PCG-KCl-750的结构、形貌和电化学性能最优异,其在三电极体系中具有非常优异的电容行为,包括超高的比容量(0.5Ag~(-1)时,比容量为341F g~(-1))、优异的倍率性(20Ag~(-1)时,电容保持率高达69.5%)和稳定的循环寿命性(10Ag~(-1)时,5000个连续循环后的比容量保持率为95.2%);在两电极体系中也具有优异的电化学性能。
【图文】：

18图 2-1 PPC-850 和 PC-CaCO3-T 系列碳材料的扫描电镜、透射电镜图EM, TEM images of (a, b) PPC-850, (c, d) PC-CaCO3-650, (e, f,) PC-CaCOPC-CaCO3-850, (i, j) PC-CaCO3-950

未添加 CaCO3的 PPC-850 碳材料是由片层没有明显的孔结构。PC-CaCO3-T 系列碳材料却PC-CaCO3-650 很明显是一种多孔材料，呈蜂窝状，0 是由多孔片层有序堆叠而成的，肉眼可见大孔很多950 同样也是由多孔片层有序堆叠而成，不仅有大孔CO3-750 相比，PC-CaCO3-850 和 PC-CaCO3-950 样品的破碎。以上碳材料的形貌和结构变化可能归因于化温度为 650℃时，多孔结构是利用 CaCO3的占位生时，微量 CaCO3热解放出二氧化碳气体，，形貌变为于 825℃时，CaCO3热解生成较多二氧化碳气体，形孔片层被破坏；当碳化温度为 950℃时，大量生成的微孔，造成大量的介孔、大孔，多孔片层被严重破
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM53;TB33

【参考文献】

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1 钟存贵;沥青基超级电容器炭电极材料的制备及电化学性质研究[D];太原理工大学;2015年

本文编号：2701017