多级孔碳材料的制备及其超级电容器性能研究

发布时间：2017-09-23 05:11

  本文关键词：多级孔碳材料的制备及其超级电容器性能研究

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【摘要】：随着科技的进步和能源结构的不断调整,超级电容器作为一种高功率的电化学储能器件,逐渐受到人们广泛关注与研究。活性炭材料是目前实际使用最广泛的超级电容电极材料,这是因为活性炭具有比表面积大,制造技术成熟,价格低廉等一系列优点。但是当活性炭材料应用于超级电容器时,充放电过程中电解质离子在活性炭材料狭窄且无序的孔道中的缓慢运动通常会造成材料性能的恶化。随着多级孔碳概念的提出,构建具有合适孔径分布且相互连通的大孔-介孔-微孔的多级孔碳材料来获得高性能的电极材料成为热点。目前,制备多级孔碳材料最主要的方法之一就是采用聚合物(酚醛树脂,葡萄糖等)为前驱体通过模板—活化法来获得,此研究的关键是寻找一种合适的模板剂来为活性炭带来丰富的大孔和介孔结构。目前受到广泛研究的模板剂如二氧化硅,F127等存在如流程繁琐、代价高昂、污染严重和性能有限等许多缺点。本文围绕着模板-活化法,以甲阶酚醛树脂为碳源,通过采用新型的模板来制备廉价高电容性能的多级孔碳材料。本文的主要研究内容如下:(1)为获得廉价多级孔碳材料,以酚醛树脂为碳源,以无机盐-氯化铵为硬模板剂,辅助KOH活化制备具有大孔-介孔-微孔的多孔碳材料。实验中,首先将碳源和模板剂在水溶液中混合,随后快速降温使得体系冷冻。其中,氯化铵结晶成微米级颗粒,这些颗粒均匀地分散在树脂内部发挥模板作用。将体系干燥后煅烧,酚醛树脂首先低温下发生固化,接着氯化铵晶粒在250℃附近分解为氨气和氯化氢,脱离体系而在树脂内部留下相应的孔结构,这避免了传统硬模板必须单独去除的难题。经过碳化,多孔树脂能够转变为多孔碳材料。通过调节树脂与氯化铵的比例,能够有效地调节材料的大孔结构。所获得的多孔碳材料经过氢氧化钾活化后获得介孔和微孔,成为多级孔碳材料。该材料导电性好,而比表面积高达2441 m2/g,能够作为优秀的超级电容电极材料。我们测试了相同活化条件下通过添加不同量的氯化铵所制备的多级孔碳材料的电容性能,并与空白样品进行比较。在电流密度为0.1 A/g时,所制备的多级孔碳材料相比于空白样,电容提高了54 F/g,10 A/g时,材料的电容依然可达为217 F/g。(2)为了获得高性能的多级孔碳材料,以酚醛树脂为碳源,提出采用生物表面活性剂石胆酸在氯化铵诱导下形成的一维纳米管状聚集体作为软模板,结合KOH活化获得多级孔碳材料。将树脂与石胆酸溶于水中,添加诱导剂氯化铵使得石胆酸聚集成纳米管结构,快速降温使得体系冷冻。此时,氯化铵晶粒与石胆酸纳米管均匀分散在树脂内部。将体系干燥后煅烧,酚醛树脂固化,氯化铵晶粒分解为气体而脱离树脂。经过碳化和活化后,多孔树脂转变为多级孔碳材料。石胆酸引入了20 nm以上的介孔,这些中级孔起到连通微米级大孔(氯化铵为模板构建)及微孔(活化作用引入)的作用,有效提高电解质离子在材料内部的传输。同时石胆酸本身具有胆甾基团使碳材料的导电性进一步提高。在两电极体系中,材料展现了优异的电容性能,尤其是在高电流密度下的倍率性能更加优异。
【关键词】：超级电容器 多级孔碳 模板法 氯化铵 石胆酸
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TM53
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 1 绪论10-28
• 1.1 碳基超级电容器10-14
• 1.1.1 碳材料的储能机理10-12
• 1.1.2 碳材料的发展12-14
• 1.2 多级孔碳材料作为超级电容器的电极材料14-21
• 1.2.1 多孔碳材料内的离子传输14-16
• 1.2.2 高比表面积碳材料孔结构的改善16-19
• 1.2.3 典型的多级孔碳材料19-21
• 1.3 本论文的选题依据、研究思路及研究内容21-23
• 1.3.1 选题依据21-22
• 1.3.2 研究思路22
• 1.3.3 研究内容22-23
• 参考文献23-28
• 2 以氯化铵为模板合成多级孔碳及其超级电容性能28-48
• 2.1 介绍28-30
• 2.2 实验部分30-32
• 2.2.1 本实验所使用的化学试剂30
• 2.2.2 本实验所采用的仪器设备30
• 2.2.3 制备过程30-31
• 2.2.4 相关表征31-32
• 2.3 结果与讨论32-44
• 2.3.1 氯化铵对树脂形貌的影响32-33
• 2.3.2 机理探究33-36
• 2.3.3 多孔碳形貌的调节36-38
• 2.3.4 材料的性质38-41
• 2.3.5 材料的超级电容性能41-44
• 2.4 本章小结44-46
• 参考文献46-48
• 3 石胆酸纳米管作为模板合成多孔碳材料48-72
• 3.1 介绍48-50
• 3.2 实验部分50-51
• 3.2.1 本实验所使用的化学试剂50
• 3.2.2 本实验所采用的仪器设备50
• 3.2.3 制备过程50-51
• 3.2.4 相关表征51
• 3.3 结果与讨论51-69
• 3.3.1 材料的形貌表征51-54
• 3.3.2 石胆酸诱导成孔的机理54-57
• 3.3.3 热处理对材料的影响57-60
• 3.3.4 材料的化学性质表征60-62
• 3.3.5 材料的电容性能表征62-69
• 3.4 本章小结69-70
• 参考文献70-72
• 4 结论与展望72-74
• 致谢74-75

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本文编号：903375