质子化离子液体制备高性能超级电容器电极炭材料的研究

发布时间：2020-04-16 02:33

【摘要】：杂原子多孔炭材料由于价廉易得、化学稳定性高、比表面积大及使用温度范围广等优点,作为超级电容器电极材料具有独特的优势。超级电容器的性能与电极材料的孔隙结构、表面/体相官能团、体相的导电性能等性质直接相关。目前,制备杂原子多孔炭材料的方法仍有各种问题:(1)碳前驱体合成过程复杂或分子组成不固定造成杂原子掺杂炭材料制备过程能耗高,杂原子种类和含量不可控;(2)制备的炭材料孔径单一;(3)杂原子炭材料制备过程繁琐,且会带来环境污染。因此,简便、绿色的制备高性能的多级孔结构的杂原子掺杂多孔炭材料仍面临挑战。本课题以吩噻嗪和葡甲胺的质子化离子液体为前驱体,通过多种方法制备结构各异的杂原子掺杂多孔炭材料,系统的研究了杂原子掺杂及不同孔隙结构的炭材料对超级电容器电化学性能的影响。具体工作如下:(1)质子化离子液体基N/S共掺杂多孔超级电容器炭电极材料。采用分子结构中含有N、S元素的吩噻嗪质子化离子液体([Phne][HSO_4])为原料制备高电容性能的超级电容器炭电极材料。[Phne][HSO_4]经过700℃热解后再经700℃KOH活化制备的炭材料,具备高比表面积(2010 m~2 g~(-1))、大的孔体积(0.76 cm~3 g~(-1))和微孔体积、高的N、S百分含量(N:2.47 wt.%,S:6.04 wt.%);在碱性电解液中,当0.2 A g~(-1)时其电容性能可达到430 F g~(-1)。丰富的微孔有效提供双电层电容,N、S杂原子掺杂的协同效应增强炭材料导电性同时提供赝电容,这有利于炭材料电容性能的提升。(2)双软模板法制备质子化离子液体基N/S共掺杂分级多孔超级电容器炭电极材料。仍选取[Phne][HSO_4]为原料,以F127和OP-10分别作为介孔和大孔软模板,经蒸发诱导自组装后一步碳化直接制备N/S共掺杂分级多孔炭材料。在热解过程中,[Phne][HSO_4]不仅可以作为碳源、氮源和硫源,而且由于NH_3、SO_2的释放可产生部分微孔,因此自身可作为微孔致孔剂,而F127和OP-10在350℃左右被去除留下介孔和大孔,从而一步制得N/S共掺杂分级多孔炭材料。通过调节[Phne][HSO_4]与F127、OP-10的比例可得到系列多孔炭材料,其中比例为15:20:1时得到的炭材料显示了高比表面积(575 m~2g~(-1))、大的孔体积(0.55 cm~3g~(-1))、同时具备微孔、介孔、大孔分级孔结构和高的N、S含量(N:3.41 at.%,S:6.65 at.%)。在6 M KOH电解液中,电流密度为1 A g~(-1)时比电容可达到302 F g~(-1),电流密度为10 A g~(-1)时比电容仍然可达到169 F g~(-1),经过5000次循环后电容仍可保留98%。同时,在1 M Na_2SO_4电解液中,呈现优异的倍率特性(70%)。合理的孔隙结构减短传输路径,N、S杂原子掺杂的协同效应增强炭材料导电性同时提供赝电容,显著提升N/S共掺杂分级多孔炭材料电化学性能。(3)免溶剂自组装制备质子化离子液体基N/S共掺杂分级多孔炭材料应用于耐温和柔性超级电容器。采用葡甲胺的质子化离子液体([Megl][HSO_4])为原料及微孔致孔剂,以F127和十二烷基硫酸钠分别作为介孔和大孔软模板,按一定比例固体混合后反应釜固化,再高温热解制备介孔炭纳米球与褶状结构相结合的N/S共掺杂分级多孔炭材料,方法简单、环境污染小。通过调节固化温度和炭化温度可得到结构和电化学性能各异的炭材料。当热处理温度为160℃,炭化温度为900℃时得到的样品性能最佳。在碱性电解液中,当0.5 A g~(-1)时比电容可达到347 F g~(-1),电流密度为20 A g~(-1)时比电容仍然可维持174 F g~(-1),经过5000次循环后电容仍保留99%。更重要的是,最佳的样品在极端温度和弯折的情况下仍然保持卓越的性能。同时,在中性电解液中,当0.5 A g~(-1)时,其比电容可高达到144 F g~(-1)。因此,绿色,简单的双软模板免溶剂自组装技术为制备高性能N/S共掺杂分级多孔炭材料提供了新思路。
【图文】：

图 1-1 表面活性剂软模板法制备有序介孔聚合物树脂和炭骨架的方案[16]。.2.2 硬模板法模板法是构建多孔炭材料的有效途径。硬模板通常是实心球或多孔物质。实心如二氧化硅颗粒[10,19,20]、沸石和 NaCO[14]，会形成规则的球形孔；而多孔模板

图 1-2 硬模板法制备多孔炭材料的示意图[7]。1.2.3 活化法除模板法外，活化法通常用于引入大量微孔来增加材料的表面积。常用的活化剂碱、氯化锌、磷酸、CO和水蒸汽[23,24]。活化涉及活化剂中材料的高温处理，，活化剂
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM53

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本文编号：2629292