多孔碳基超级电容器电极材料的修饰及性能研究
发布时间：2021-06-05 22:43
本文通过溶胶-凝胶法、水热碳化和化学活化等多种方法成功制备了有序介孔碳和分层级多孔碳材料,并利用不同的元素对所制备的多孔碳材料进行功能化修饰,从而提高其各项性能。通过SEM、TEM、XRD、拉曼光谱、N2吸/脱附等测试途径表征材料的微观形貌和孔道结构,采用XPS表征材料的元素含量和元素组成,使用电化学工作站测试材料的电化学性能,并对材料的合成机理以及功能化修饰的重要作用进行了详细的分析和总结。（1）以酚醛树脂作为碳源,无水乙醇和去离子水同时作为溶剂,二氰二胺和植酸分别作为氮源和磷源,在蒸发诱导自组装技术（EISA）的基础上,开发了一种创新的溶胶-凝胶法,在成功制备出高性能氮/磷共掺杂有序介孔碳材料的同时,简化了合成步骤,降低了材料的合成成本。所合成的样品拥有规整的孔道结构、高的比表面积和丰富的杂原子官能团。电化学测试表明,当添加的磷源与氮源质量比为1:3时,样品NP-OMC-3具有最优异的性能,在电流密度为1 A g-1时,比电容量为320 F g-1,即使在20 A g-1的大电流密度下,其比电容...
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
中国可持续能源发展的趋势[1]
青岛科技大学研究生学位论文3图1-2双电层电容器的储能原理[10]Fig.1-2Schematicdiagramofelectrochemicaldoublelayercapacitor[10]（2）赝电容电容器（PDLC）PDLC主要是通过电极表面的电解液离子与活性材料之间进行迅速、可逆的氧化还原反应以完成能量的储存[11]。PDLC的充放电机理如图1-3所示[10]，与EDLC的储能原理有明显区别，PDLC的电极材料表面会发生赝电容反应，并通过反应存储电荷。在电化学过程中，赝电容反应类型大致包括以下三种：（1）电极材料分子层在充放电过程中发生电荷转移产生电位差，发生吸/脱附反应从而表现出电容性能；（2）伴随电压变化，材料表面与电解液离子之间发生缓慢的氧化还原反应，使得材料化学价态改变，产生反应电容；（3）互嵌赝电容，比如将Na+嵌入到MnO2片层中。目前，最常用的PDLC电极材料主要有过渡金属氧化物（如RuO2[12]、Fe3O4[13]、NiO[14]、V2O5[15]、MnO2[16]等）和导电聚合物（如聚苯胺等）及它们的复合材料。与EDLC相比，PDLC具有相对更高的储存电荷能力，然而其功率特性与循环稳定性均与EDLC有较大差距，原因是PDLC在充放电时涉及到化学反应，氧化还原反应的速度远远低于EDLC的吸/脱附物理反应的速度。另一方面，与二次电池相比，PDLC的电极比二次电池具有更快的充放电速度和更高的功率密度。二次电池充放电的过程受到固态体相的控制，相反，PDLC在材料表面发生氧化还原反应，充放电过程不受体相扩散控制，因而充放电速度更快[17]。
多孔碳基超级电容器电极材料的修饰及性能研究4图1-3赝电容电容器的工作原理[10]Fig.1-3Schematicdiagramofpseudocapacitor[10]1.1.3超级电容器的组成完整的SC大致由四部分结构组成：活性电极材料、集流体、电解液隔膜和电解质，其中，电极材料是SC最为关键的组成部分，对电容器的性能起到决定性作用。根据SC不同的储能原理，电极材料可以分为以碳基材料（包括多孔碳、碳纤维、碳纳米管等）为主的EDLC电极材料和以过渡金属氧化物和导电聚合物为主的PDLC电极材料[18]。Largeot等[19]报道当电极材料的孔径尺寸与离子尺寸大小接近时，电容器能表现出最大的电容性能。多孔碳材料由于具备优良的导电性、发达的孔结构、优异的稳定性和高比表面积等诸多优势，被认为是SC首选的理想电极材料。1.2多孔碳材料概述多孔碳材料是以碳为介质，包含一定数量相互连通或闭合孔道结构的材料。一方面，多孔碳具备碳材料自身固有的独特性质，例如化学稳定性高、导电性优良、经济环保等特性；同时，孔结构的引入可以使多孔碳材料具有大的比表面积、可控的孔道结构、宽的孔径分布等特点。多孔碳材料在有害气体吸附、水净化、电催化、光催化及能量存储等领域得到了广泛的应用[20]。常见的多孔碳材料包括：碳纳米管、碳纤维、有序介孔碳、分层级多孔碳、石墨烯等。其中，在诸多的多孔碳材料中，有序介孔碳材料由于具有规则的孔结构、可调节的孔径尺寸、高比表面积以及高循环稳定性等优势在SC电极材料应用方面有着极大的应用潜力[21-
【参考文献】：
期刊论文
[1]Carbon-based supercapacitors for efficient energy storage[J]. Xuli Chen,Rajib Paul,Liming Dai. National Science Review. 2017(03)
[2]“由软到硬的模板”共聚法合成N掺杂介孔碳纳米球（英文）[J]. 孔庆路,张玲霞,王敏,李孟丽,姚鹤良,施剑林. Science Bulletin. 2016(15)
本文编号：3213058
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
中国可持续能源发展的趋势[1]
青岛科技大学研究生学位论文3图1-2双电层电容器的储能原理[10]Fig.1-2Schematicdiagramofelectrochemicaldoublelayercapacitor[10]（2）赝电容电容器（PDLC）PDLC主要是通过电极表面的电解液离子与活性材料之间进行迅速、可逆的氧化还原反应以完成能量的储存[11]。PDLC的充放电机理如图1-3所示[10]，与EDLC的储能原理有明显区别，PDLC的电极材料表面会发生赝电容反应，并通过反应存储电荷。在电化学过程中，赝电容反应类型大致包括以下三种：（1）电极材料分子层在充放电过程中发生电荷转移产生电位差，发生吸/脱附反应从而表现出电容性能；（2）伴随电压变化，材料表面与电解液离子之间发生缓慢的氧化还原反应，使得材料化学价态改变，产生反应电容；（3）互嵌赝电容，比如将Na+嵌入到MnO2片层中。目前，最常用的PDLC电极材料主要有过渡金属氧化物（如RuO2[12]、Fe3O4[13]、NiO[14]、V2O5[15]、MnO2[16]等）和导电聚合物（如聚苯胺等）及它们的复合材料。与EDLC相比，PDLC具有相对更高的储存电荷能力，然而其功率特性与循环稳定性均与EDLC有较大差距，原因是PDLC在充放电时涉及到化学反应，氧化还原反应的速度远远低于EDLC的吸/脱附物理反应的速度。另一方面，与二次电池相比，PDLC的电极比二次电池具有更快的充放电速度和更高的功率密度。二次电池充放电的过程受到固态体相的控制，相反，PDLC在材料表面发生氧化还原反应，充放电过程不受体相扩散控制，因而充放电速度更快[17]。
多孔碳基超级电容器电极材料的修饰及性能研究4图1-3赝电容电容器的工作原理[10]Fig.1-3Schematicdiagramofpseudocapacitor[10]1.1.3超级电容器的组成完整的SC大致由四部分结构组成：活性电极材料、集流体、电解液隔膜和电解质，其中，电极材料是SC最为关键的组成部分，对电容器的性能起到决定性作用。根据SC不同的储能原理，电极材料可以分为以碳基材料（包括多孔碳、碳纤维、碳纳米管等）为主的EDLC电极材料和以过渡金属氧化物和导电聚合物为主的PDLC电极材料[18]。Largeot等[19]报道当电极材料的孔径尺寸与离子尺寸大小接近时，电容器能表现出最大的电容性能。多孔碳材料由于具备优良的导电性、发达的孔结构、优异的稳定性和高比表面积等诸多优势，被认为是SC首选的理想电极材料。1.2多孔碳材料概述多孔碳材料是以碳为介质，包含一定数量相互连通或闭合孔道结构的材料。一方面，多孔碳具备碳材料自身固有的独特性质，例如化学稳定性高、导电性优良、经济环保等特性；同时，孔结构的引入可以使多孔碳材料具有大的比表面积、可控的孔道结构、宽的孔径分布等特点。多孔碳材料在有害气体吸附、水净化、电催化、光催化及能量存储等领域得到了广泛的应用[20]。常见的多孔碳材料包括：碳纳米管、碳纤维、有序介孔碳、分层级多孔碳、石墨烯等。其中，在诸多的多孔碳材料中，有序介孔碳材料由于具有规则的孔结构、可调节的孔径尺寸、高比表面积以及高循环稳定性等优势在SC电极材料应用方面有着极大的应用潜力[21-
【参考文献】：
期刊论文
[1]Carbon-based supercapacitors for efficient energy storage[J]. Xuli Chen,Rajib Paul,Liming Dai. National Science Review. 2017(03)
[2]“由软到硬的模板”共聚法合成N掺杂介孔碳纳米球（英文）[J]. 孔庆路,张玲霞,王敏,李孟丽,姚鹤良,施剑林. Science Bulletin. 2016(15)
本文编号：3213058
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