金属氧化物诱导的多孔碳复合材料的制备及其超级电容器性能研究

发布时间：2020-07-08 20:20

【摘要】：超级电容器作为一种新型储能器件,近年来备受关注。而电极材料是决定超级电容器性能优劣的关键因素之一。碳材料和金属氧化物材料都可以作为超级电容器电极材料,但如何有效地将金属氧化物负载到碳基材料上,充分发挥二者之间的协同耦合作用,仍然存在较大的挑战。本论文通过选择合适的有机前驱体、控制反应条件,得到几种性能优异的金属氧化物诱导的多孔碳复合材料,用于超级电容器的研究,表现出优异的性能具体研究内容如下:(1)通过溶胶凝胶法制备出明胶三聚氰胺多孔碳/四氧化三钴二维纳米碳复合材料(GM-C@Co_3O_4)。其中乙酸钴诱导明胶三聚氰胺热解形成高度石墨化的二维纳米结构复合材料。得到的复合材料比表面积为240.5 m~2/g,在2 A/g下比电容达到825F/g。循环2500次后,比电容保持率为70%。(2)采用三聚氰胺甲醛树脂作为碳基材料,用乙酸钴作为钴源。通过简单的高温热解反应,制备出钴-四氧化三钴-碳纳米管核壳复合材料(Co-Co_3O_4@CNT-NC)。其中碳壳抑制了Co_3O_4在电解体充放电过程体积膨胀。该复合材料表现出优异的电化学性能,在1 A/g下比电容达到833.4 F/g。(3)以柠檬酸三铵和乙酸钴作为前驱体,KMnO_4和MnCl_2作为锰源,合成具有不同形貌的钴锰氧化物,其中当钴锰含量比例为1时,合成梭状结构的复合物,其梭状结构有利于电解液在材料表面流动,加快电解液与材料之间离子传输、交换。当电流密度为4 A/g,比电容达到413 F/g。(4)用乙酸钙作为造孔剂和诱导剂,将酚醛树脂诱导热解成二维多孔碳纳米材料,比表面积最高可达1258.2 m~2/g。乙酸钙有效优化了碳材料的孔结构,而且提高了碳材料的石墨化程度,同时生成的CaO催化了石墨化多孔碳的形成。所制备的多孔碳材料在1 A/g下,比电容达360.1 F/g。
【学位授予单位】：桂林电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM53;TB33
【图文】：

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§1.1 引言随着社会生产力不断增加，人类社会对能源的需求越来越大，而传统能源例如、天然气等逐渐满足不了人类的需求。人类急需寻找能够满足自身发展且又源来推动人类社会的发展[1]。于是人类从传统能源转向新能源，像太阳能、风能等。绿色新能源受到了人类越来越多的关注。超级电容器作为一种具有价值的能量存储装置也成为研究的焦点。图 1-1 为超级电容器与其他储能装置的比较。储能装置一般以蓄电池或者电模板，虽然能量密度高，但是功率密度低，并且在运用过程中暴露出一系列充放电寿命短、充电时间长、材料对环境污染严重等问题。反观超级电容相电池具有更高的功率密度、更短的充放电时间、更小的环境污染等优势。因色可持续发展为主题的当下发展，超级电容器在交通和能源等领域逐步取代源储能装置，运用在各个领域[2, 3]。

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图 1-2 超级电容器示意图§1.3 超级电容器的分类得到失去电子分类，可以分为非对称电容器和对称型电容器，按照机理作为分类标准可以分为双电层电容器（EDLCs）、赝电容ocapacitor）和混合型电容器。依据电极材料可以分为碳基材料、金合物超级电容器。双电层电容器层电容器电极一般是碳基材料，碳基电极材料是由纯碳材料或者复极，它来源广泛例如生物、木屑、煤油等。通过一系列的除杂、破理制备成碳材料[8]。它制备工艺简单、孔道结构易于调节、化学性，在许多领域中有所应用。它的储能机理如图 1-3 所示。它是由德

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图 1-3 双电层电容器储能机理示意图§1.3.1.1 活性炭活性炭（Activated Carbon，AC）是一类比表面积高、孔隙结构可调节与表面化学结构可控以及物理与化学性能稳定的多孔碳材料，广泛运用于各个领域。不仅如此，活性炭还具有良好的导电性能，因此通过调节空隙结构和表面官能团，优化活性炭的电化学性能，在电能储存、能源转换方面具有巨大的潜力。Wang 等人[11]使用芦荟生物材料经过烘干、常温破碎、高温高压水热法和活化处理得到最终材料。用化学活化控制孔道结构。通过水热法进行活化处理，由球形状态转换为蜂窝状形貌，比表面积由 13m2/g 到 1286m2/g，蜂窝状结构的活化炭材料其电容在 0.5A/g 条件下达到 264 F/g。经过 5000 次的循环测试后，比电容仍为 91%。目前，对于活性炭材料不仅会采用活化的方式来增加比表面积和电化学性能，还会通过增加相应的杂元素的官能团大幅度提高比电容。Ren 等人[12]用浒苔作为活性炭的原料，在活化的同时加入三聚氰胺作为氮源，增加含氮量，比表面积达到 1100m2/g。

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