多级孔碳基材料的构筑及其双电层电容性能研究

发布时间：2020-10-15 21:45

　　 超级电容器是一种新式的电化学能量储存装置,亦可被称作电化学电容器,它不仅具有传统电容器的某些特征同时也囊括了电池的某些特点,装置主要由两个高导电性电极通过带有移动离子的电解质分隔开。作为超级电容器的主要组成部分,电极材料的重要性不言而喻,其分类通常情况下可以归结为:碳材料、金属氧化物及导电聚合物以上三种。社会现代化步伐的加快是有目共睹的,如何利用好清洁友好的可再生能源的储能器件将会受到社会越来越多的关注,其中超级电容器就位于这些储能器件之列。因为其包含了众多优点例如:较高的充电速度、较高的功率密度、较长的使用寿命、宽泛的工作适应温度﹑良好的循环稳定性等,在很多领域里都实现了其有效应用,从新能源汽车到轨道交通,从能量储存到军事等~([1])。这意味着超级电容器的发展前景是很明朗的,为了探索更多材料的潜在应用价值,主要研究内容如下。1.通过使用香蕉皮作为碳前驱体和不同的柠檬酸盐作为致孔剂,是制造微米/中孔碳的简单和直接的碳化方法。多孔结构的形成基于碳化过程中碱和非碱有机盐如钾和镁的柠檬酸盐在煅烧过程中的反应。分解产物含有的许多无机颗粒(即K_2O或MgO)并嵌入碳框架内。这些副产物或者作为活化剂或者作为模板剂形成不同孔径的多孔碳,当通过酸洗除去时,这些副产物可形成微孔或中孔网络结构。相应地,电化学测量显示在引入柠檬酸盐之后,我们在0.1 A/g的电流密度的测试条件下,比较来看碳材料的比电容从59 F/g上升到了258–273 F/g。2.通过水包油乳液法制备出有丰富孔结构并且有氮原子掺杂的碳泡沫材料,并将其用于超级电容器的制备方式现如今正越来越受研究人员们的青睐。但在一般,这种材料的制备过程是繁琐的,我们这里运用一锅法来合成掺氮间苯二酚/甲醛(R/F)酚醛树脂,并且树脂与三聚氰胺之间存在氢键稳定的相互作用。结构表征表明,当柠檬酸钾与酚醛树脂的质量比为1:2.5时,所制备的材料N-HPCFs-2.5,比表面积(SSA)高达1759 m~2 g~(-1)且大的孔体积达到0.83 cm~3/g。作为超级电容器的电极,在6 M KOH电解质的三电极系统中测试,N-HPCFs-2.5具有高达298 F/g的比电容在电流密度为1A g~(-1)时,并且具有良好的稳定性,在10 A g~(-1)的电流密度下循环5000次,电容仍能拥有超过93%的保持率,展现出了良好的的循环稳定性。3.通过简单的液相沉积法制备超级电容器电极的氧化锰(MnO_2)和空心碳球(HCS)的复合物,C/MnO_2复合材料具有HCS核心和由MnO_2纳米薄片组成的壳。复合材料中的HCS不仅作为MnO_2纳米片生长的模板,而且作为增强电化学性能的导电通道。对材料C/MnO_2进行退火处理后发现材料显现出了α-MnO2的晶型结构,对电化学性能起到了显著的提升。在1 M Na_2SO_4电解液中以电流密度为1 A/g的条件测试,复合材料C/MnO_2-300 ~oC的电容高达340 F/g。经过了1000次充放电循环,电容保持率依旧没降太多,高达90.2%,说明循环稳定性优异。
【学位单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ127.11;TM53
【部分图文】：

主要由两个碳电极、电解液和隔膜组成，是以一种纯物理静电吸附脱附方式来进行电荷储存的。图1.1(a) 提供了双电层电容器的原理示意图，在这种超级电容中，没有电子交换，没有氧化还原反应，获得高比电容为关键因素就是电极材料的比表面积和双电层的厚度，该距离比传统电容器能及的距离要小得多，这种大的电极表面积再加上非常小的电荷分离距离使得双电层电容器较传统电容器而言有惊人的电容量，这也就是此种电容器名字的来由所在。当电容器接上电源，仅有物理过程的产生，电极表面产生电荷聚集，并在极板表面形成了双电层，储能通过使电解质溶液的电化学极化来达成的，且双电层间不存在电子的转移，使两电极电荷的表面稳定平衡，从而保持了优良的静电性。达到高电容的核心因素主要取决于充电的双电层的要用具有高比表面积且导电性能好的电极材料。（2）赝电容电容器赝电容电容器的产生机制不同于双电层电容器，它是电极材料中间电子转移并发生氧化还原的一种现象，吸附过程与氧化还原反应协同引发的电容，赝电容出现在电极表面，那是感应电流的反应产生的源头，类似于电池的充放电。此电化学行为是由感应电流引发引发，氧化还原

图 3.2 多孔碳的透射电镜图 (a) PC, (b)K–PC, (c)Mg–PCFig 3.2 SEM images of (a) PC, (b) K–PC, (c) Mg–PC

的相关微观结构参数，从图表中可以清晰看出 K-PC 的比表面积（2159 m2g 1）明显要比另外两种多孔碳 PC（98 m2g 1）和 K-PC（1691 m2g 1）大得多。根据这些结果的比较，可以得出柠檬酸盐的加入有助于微孔和中孔的形成。在碳化过程中，柠檬酸盐首先分解成 K2O 和 MgO.近而 K2O可以和碳材料反应形成微孔，而非碱性氧化物 MgO 不会和碳框架反应，于是它嵌在碳材料中可以起到一个模板剂的作用，一旦最后用稀盐酸的洗涤后，这些 MgO 纳米颗粒就会形成介孔。
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本文编号：2842289