超级电容器用有序介孔碳材料的制备及其性能优化

发布时间：2017-08-13 13:41

  本文关键词：超级电容器用有序介孔碳材料的制备及其性能优化

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【摘要】：超级电容器由于具有功率密度高、充放电迅速、循环稳定性好、价格低廉、环境友好等优势,受到了研究者们的广泛关注。对于超级电容器来说,电极材料是影响其性能好坏的关键因素。因此,研究高性能电极材料对超级电容器的发展与应用意义重大。目前,碳材料因比表面积大、化学性质稳定、导电性良好,作为电极材料在超级电容器中得到了广泛应用。有序介孔碳作为碳材料中的重要一员,其发达的孔隙结构以及均一的孔径分布,为电解液离子的快速传输提供了有利条件,是一类优秀的碳材料。本文以介孔分子筛KIT-6作模板,制备了三维立方有序介孔碳材料,并通过与金属氧化物MnO2复合和硼掺杂两种方式,对有序介孔碳材料进行性能优化,取得了一系列有意义的结果。本论文的主要研究工作如下:首先,以介孔分子筛KIT-6为模板,糠醇为碳源,通过纳米注入法制备三维立方有序介孔碳材料,并探讨了煅烧温度对所制备的三维立方有序介孔碳材料的微观结构和电化学性能的影响。结果表明,所制备的材料均具有较高的比表面积和均一的孔径分布。当碳化温度为600oC时,材料的有序度最好,且具有最优异的电化学性能。在扫描速率为1 mV s-1时的比电容为256.86 F g-1;在电流密度为1 A g-1下,其比电容为220.3 F g-1,在经过10000次循环后,比电容保持率高达90%。此外,当功率密度为1000 W kg-1时,OMC-600超级电容器的能量密度为6.96 Wh kg-1;当功率密度增加到5000 W kg-1时,OMC-600超级电容器的能量密度仍保持在6.53 Wh kg-1。然后,将600oC条件下煅烧的有序介孔碳CMK-8与不同浓度的高锰酸钾溶液反应制备MnO2/OMCs复合材料,并探讨了不同MnO2负载量对MnO2/OMCs复合电极材料结构和电化学性能的影响。研究结果表明,MnO2/OMCs复合材料继承了有序介孔碳CMK-8的有序介孔结构,且随着负载量的增加,复合材料的有序度降低。MnO2/OMC-0.04表现出最优异的电化学性能,在扫描速率为1 mV s-1时的比电容为576.10 F g-1;在电流密度为1 A g-1下,其比电容为554.8 F g-1。将其组装成超级电容器经过5000次恒电流充放电测试,其库仑效率几乎为100%。最后,为了进一步改善有序介孔碳材料的电化学性能,在合成三维立方有序介孔碳材料的基础上,引入杂原子硼,制备硼掺杂有序介孔碳材料,并进一步探讨不同硼掺杂量对材料的结构以及电化学性能的影响。结果发现:硼掺杂后材料的有序度基本能保持,且BOMCs具有较高的比表面积以及较集中的孔径分布。此外,通过硼掺杂可以有效的改善材料的电化学性能,当硼酸与糠醇的质量比为0.05时,所制备的硼掺杂有序介孔碳BOMC-0.05在扫描速率为5 mV s-1下的比电容高达267.8 F g-1。BOMC-0.05超级电容器首次放电比电容为69.8 F g-1,经过10000次连续的充放电测试后,比电容保持率在92%,显示了良好的循环稳定性。
【关键词】：有序介孔碳材料 复合材料 硼掺杂 纳米注入法 超级电容器
【学位授予单位】：湘潭大学
【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
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-27
• 1.1 引言11
• 1.2 超级电容器概述11-17
• 1.2.1 超级电容器分类11-12
• 1.2.2 超级电容器能量储存机理12-14
• 1.2.3 超级电容器的优势14-15
• 1.2.4 超级电容器的发展历程15-16
• 1.2.5 超级电容器的应用前景和挑战16-17
• 1.3 超级电容器电极材料17-23
• 1.3.1 碳材料17-21
• 1.3.2 金属氧化物21-22
• 1.3.3 导电聚合物22
• 1.3.4 复合材料22-23
• 1.4 超级电容器电解液23-24
• 1.4.1 水系电解液23
• 1.4.2 有机电解液23-24
• 1.4.3 其它电解液24
• 1.5 有序介孔碳材料的研究进展24-25
• 1.6 本文的研究意义及主要研究内容25-27
• 1.6.1 研究意义25
• 1.6.2 研究内容25-27
• 第2章 实验仪器药品以及测试方法27-37
• 2.1 主要试剂和仪器27-28
• 2.2 材料的物理性能表征方法28-31
• 2.2.1 傅里叶变换红外光谱分析28-29
• 2.2.2 透射电子显微镜29
• 2.2.3 比表面积及孔结构分析29-30
• 2.2.4 热重分析30-31
• 2.2.5 X-射线衍射分析31
• 2.2.6 X-射线光电子能谱分析31
• 2.3 超级电容器电化学性能测试方法及原理31-36
• 2.3.1 循环伏安测试31-33
• 2.3.2 恒电流充放电测试33-34
• 2.3.3 交流阻抗测试34-35
• 2.3.4 循环寿命测试35-36
• 2.4 电极的制备和超级电容器的组装36-37
• 第3章 三维立方有序介孔碳的制备及其电化学性能研究37-47
• 3.1 引言37
• 3.2 实验37-39
• 3.2.1 介孔二氧化硅KIT-6 的制备37-38
• 3.2.2 三维立方有序介孔碳的制备38
• 3.2.3 物理表征38
• 3.2.4 电化学性能测试38-39
• 3.3 三维立方有序介孔碳材料物理表征结果分析39-42
• 3.3.1 微观结构分析39
• 3.3.2 孔结构分析39-40
• 3.3.3 表面官能团分析40-42
• 3.4 三维立方有序介孔碳材料电化学性能表征分析42-46
• 3.4.1 循环伏安测试42-43
• 3.4.2 恒电流充放电测试43
• 3.4.3 交流阻抗测试43-44
• 3.4.4 循环寿命测试44-46
• 3.5 本章小结46-47
• 第4章 纳米二氧化锰/有序介孔碳复合材料的制备及其电化学性能研究47-58
• 4.1 引言47
• 4.2 实验47-48
• 4.2.1 MnO_2/OMCs复合材料的制备47-48
• 4.2.2 物理表征48
• 4.2.3 电化学性能测试48
• 4.3 MnO_2/OMCs复合材料物理表征结果分析48-52
• 4.3.1 微观结构分析48-51
• 4.3.2 孔结构分析51-52
• 4.3.3 表面官能团分析52
• 4.4 MnO_2/OMCs复合材料电化学性能表征分析52-56
• 4.4.1 循环伏安测试52-53
• 4.4.2 恒电流充放电测试53-54
• 4.4.3 交流阻抗测试54-55
• 4.4.4 超级电容器性能测试55-56
• 4.4.5 循环寿命测试56
• 4.5 本章小结56-58
• 第5章 硼掺杂有序介孔碳的制备及其电化学性能研究58-66
• 5.1 引言58
• 5.2 实验58-59
• 5.2.1 硼掺杂有序介孔碳的制备58-59
• 5.2.2 物理表征59
• 5.2.3 电化学性能测试59
• 5.3 硼掺杂有序介孔碳材料物理表征结果分析59-62
• 5.3.1 孔结构分析59-60
• 5.3.2 表面官能团分析60-61
• 5.3.3 微观结构分析61-62
• 5.4 硼掺杂有序介孔碳材料电化学性能表征结果分析62-65
• 5.4.1 循环伏安测试62-63
• 5.4.2 恒电流充放电测试63-64
• 5.4.3 交流阻抗测试64
• 5.4.4 循环寿命测试64-65
• 5.5 本章小结65-66
• 第6章 结论与展望66-68
• 6.1 结论66-67
• 6.2 展望67-68
• 参考文献68-76
• 致谢76-77
• 攻读硕士期间公开发表的论文77-78
• 个人简历78

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本文编号：667595