分级多孔碳片的一步活化-模板法制备及超级电容器应用

发布时间：2020-07-30 14:10

【摘要】：超级电容器由于其高功率密度,高循环充电和放电寿命,宽温度范围和超高比电容而成为世界研究的热点。而超级电容器电极材料是限制其大规模应用的重要枢纽。生物质基多孔碳材料是近几十年发展起来的环保功能材料,由于其低成本,高比表面积,低密度和绿色环保被广泛用于超级电容器中。多孔碳的合成通常通过活化法或模板法进行。通过模板法合成的多孔碳通常比表面积不高,孔结构分布不合理,高成本,低产率,并且孔通常是介孔;通过活化方法形成的多孔碳通常具有相对高的比表面积并含有许多微孔。然而,缺少中孔限制了其电化学性能的提升。考虑到上述因素,本文提出了一种新的一步活化-模板法,以合成含有大量微孔和介孔的分级多孔纳米片结构的碳材料。并深入研究了分层多孔碳的形成机理和电化学性质,以及其超级电容器应用的验证。本论文的主要研究内容包括如下几个方面:1、以榆钱粉为碳源,高锰酸钾提供K_2CO_3和MnO等作为活化剂和模板,采用一步活化-模板法合成多孔碳材料。对所得材料进行表征发现其为多孔纳米片状形态,具有分级的孔径分布。在HPCN-6样品上获得了2088 m~2g~(-1)的最大比表面积和~2.7 nm的平均孔径。值得注意的是,HPCN-6碳纳米片的2.8%氮掺杂和8.1%氧掺杂可以提供赝电容并增强亲水润湿性,从而显著地有助于提高总电容,为其优异的电化学性能奠定基础。2、对碳纳米片组装超级电容器电极,其电化学性能在三电极系统中表征。研究了样品合成参数(例如前驱体配比和加热温度)对电极电化学性能的影响。发现HPCN-6样品电极在KOH电解液中在1 A g~(-1)的电流密度下可达到548.6 F g~(-1)的高电容值,其电极电阻也小于1Ω。3、研究了分级多孔碳片的超级电容器应用。首先进行使用KOH电解液进行碳片基电极的电化学测试。该电极在1 A g~(-1)下达到324 F g~(-1),且在10 000个充放电循环后仍然能保持100%以上的性能。然后在1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸离子液体条件下探索电极的电化学特性,在4 V的高电压区间内可以得到230F g~(-1)的高电容,所获得电极的最大能量密度在991 W kg~(-1)功率密度条件下能量密度最高可达125.5 Wh kg~(-1),是目前生物质基碳材料得到的最高能量密度之一。最后,组装了基于多孔碳纳米片的超级电容器装置,成功实现了电风扇的运行。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM53;TQ127.11
【图文】：

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图 1-1 双电层超级电容器 a) 原理图 b) 结构图[14]级电容器电极由集流体、粘结剂以及电极材料构成。电极材料主度主要分为四大类：碳材料、各种导电的聚合物连同其复合材 Ni 的化合物为代表的金属氧/硫化物材料、水合金属化合物及复而碳材料凭借出道早，研究较透彻，还有充放电循环周期长，能大等向来就是最惯用的超电电极材料。况且已经有很多厂家已经用的碳基超级电容器。碳基材料中，最常见的有活性炭（An, AC）、碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）、石墨烯（Graphen墨烯、碳纤维（Carbon Fiber，CF）等[17]。常见的石墨烯和碳管物理特性，还有其特殊的一维和二维结构，作为电极材料性能优但是其材料很难轻易找到，良好性能的材料合成方法异常繁琐，限制了大规模商业超级电容器的应用[18]。碳纤维是工业化产物有机物沥青等经过多个工艺制备而来，导电性高，结构也很好，流程复杂还有昂贵只能用于各种衣物外壳而不适合用于电容器；

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一种由互相关联或单独的孔隙组成的网格状分成微孔（孔径在 2 nm 以下）、介孔（孔 nm 以上）材料[22]。根据研究表明，具有一电容器的电容性能。根据这个结论，下图 1-图[15]，我们可以从图可以明显看出这种材料介孔，随机散布在表面还有内部。

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哈尔滨工业大学理学硕士学位论文以这么受欢迎具有很多独特的优势，首要原因小尺度下有一定结晶性。合成材料的碳前驱物备过程较为简单，花费时间和金钱都相对少，普净化等领域。碳材料普遍都是对人畜无毒无害好，导热导电性强，密度较小，抗压性强等益多孔碳在各种溶液或是离子液体中结构都非拥有一般碳材料的优点特性，而且，其独特的，孔数和孔径更轻松可以控制和调节。

【参考文献】