结构可控多孔碳的设计与制备及电容特性研究

发布时间：2017-11-25 08:10

  本文关键词：结构可控多孔碳的设计与制备及电容特性研究

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【摘要】：本文综述了超级电容器最新研究进展,重点对超级电容器碳材料的制备和结构调控技术发展现状进行了综述。对于双电层电容器来说,系统研究碳材料的孔隙率和孔径分布与超级电容性能关系,是一个非常重要的基础科学问题。遗憾的是对于这一问题基本都止步于定性的说明或解释,没有有力的实验验证。这一方面是因为体系的复杂性,另一方面是由于碳材料结构的不可控性。据此,本课题提出了嵌段共聚物碳化法制备孔径结构精确可控的多孔碳电极材料的新方法。本研究课题的实施遵循聚合物聚合可控-碳材料结构可控-高性能超级电容器碳电极材料为主线的研究路线,即通过控制嵌段共聚物链段的柔顺性、改变链段分子量及不同链段的相对含量来调控嵌段共聚物的形态结构;进而调控碳材料的孔径结构。主要内容如下:(1)采用原子转移可控自由基聚合方法(ATRP)合成得到嵌段共聚物PAN-b-PMMA。其中PMMA链段为“牺牲”链段,PAN为“保留”链段。通过ATRP成功制备了大分子引发剂PAN-Br(MnPAN=22153 g mol-1,PDI=1.04),保持“保留”链段PAN不变,精确控制ATRP的反应条件,引发得到分子量为Mn PAN-b-PMMA=26726~42234 g mol-1且PDI1.3的嵌段共聚物PAN-b-PMMA,相应体积分数fPMMA=10.50~33.89%。高温炭化后得到相应孔径为5.96~17.64 nm且高的比表面积SBET=274.6~427.36 m2 g-1的孔结构高度可控介孔碳材料。随着介孔碳材料孔径的增大,比容量先增加后下降。孔径为13.64 nm的介孔碳材料显示出最优的超级电容性能。(2)将嵌段共聚物PAN418-b-PMMA169作为前驱体,系统研究了表面硝酸活化对碳材料结构及其电化学性能的影响。通过表面硝酸活化,成功引入了含氧、含氮官能团,如-COOH,-NO2,-OH等,改善了碳材料表面的浸润性,提高了其比表面积利用率;这类含氧、含氮官能团很大程度上贡献了赝电容,使得碳材料比容量得到很大提升;同时,硝酸活化法成功制备了氮掺杂分级多孔碳材料(A-NHPC),显示出优异的超级电容性能;由于具有更多的微孔与超微孔结构,明显的分级多孔结构,更高的比表面积。A-NHPC14-4-80具有高的比容量为314 F g-1,主要是由于含氮含氧官能团的引入,更好的导电性,和更加优异的分级孔结构。(3)将嵌段共聚物PAN418-b-PMMA111作为前驱体,使用KOH活化处理工艺,选择合适的活化条件:温度为600~800oC,配比为0.5~4,时间为1~2 h;成功制备得到孔结构可控的氮掺杂活性碳材料(HEANCs)。所制备的碳材料具有良好可控的比表面积(1088~3069 m2 g-1)、孔径分布(1.68~3.45 nm)、与合适可调的氮含量(2.3~7.5%)。随着碳材料比表面积的增大,比容量逐渐递增。HEANC750-4-2h具有极高的比容量(542 F g-1)、优异的循环稳定性(95%的容量保持率)和较好的倍率性能(73%的容量保持率),是由于该碳材料具有非常合适的孔径(~3.45 nm)、超高的比表面积(~3069 m2 g-1)、孔体积(~2.29 cm3 g-1)和合适的N含量(~2.39%)。同时,HEANC750-4-2h//HEANC750-4-2h具有较高的能量密度为12.1 Wh kg-1。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TM53

【参考文献】

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1 孙天鸣;董利民;王晨;郭文利;王莉;梁彤祥;;孔隙率对炭材料电阻率的影响(英文)[J];新型炭材料;2013年05期

2 Thang Ngoc Cong;;Progress in electrical energy storage system:A critical review[J];Progress in Natural Science;2009年03期

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本文编号：1225323