高度石墨化多级孔结构炭材料的制备及其电容性能研究

发布时间：2017-09-13 21:16

  本文关键词：高度石墨化多级孔结构炭材料的制备及其电容性能研究

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【摘要】：作为传统多孔炭材料的典型代表,活性炭由于其具有超高的比表面积而受到人们的广泛关注。然而,活性炭的孔隙结构通常由0.5-1.5 nm的微孔组成,这样的孔隙结构非常不利于电解质离子在孔隙中的传输,从而导致其在大电流密度下充放电时容量急剧衰减。将炭材料设计成多级孔结构可以有效地克服活性炭的这一缺点,这是由于多级孔结构有利于电解液的充分浸润和电解质离子的传输,从而有效地改善其在大电流密度下的电容性能。此外,高度石墨化的炭材料具有高的导电性能,从而有利于电子在其中的快速迁移,进而有助于降低超级电容器的内阻并改善其功率密度。因此,基于以上几点,我们以多孔磺化聚二乙烯基苯或者内嵌碳纳米管的磺化聚苯乙烯为炭前驱体,采用催化石墨化法并结合KOH活化法分别制备了一系列的多级孔结构石墨化炭微球和内嵌碳纳米管的多级孔结构石墨化炭,并对它们进行了一系列的表征和测试。首先,通过微悬浮聚合法合成了多孔磺化聚二乙烯基苯微球,并以此微球为炭前驱体,以铁单质为硬模板和石墨化催化剂,采用催化石墨化法并结合KOH活化法合成了一系列具有多级孔结构的石墨化炭微球。氮气吸附／脱附测试分析表明,硬模板与炭前驱体的比例对多孔炭微球的孔隙度和孔径有着重要的影响,并且经过KOH活化处理后,活化多孔炭微球的比表面积和孔隙度得到了显著地增加。拉曼光谱分析和X射线衍射测试分析表明,采用两步活化法时多孔炭微球的石墨化结构会遭到一定程度的破坏,而采用一步活化法时多孔炭微球的石墨化结构不但没有遭到破坏,其石墨化程度反而更好。电化学分析测试表明,硬模板与炭前驱体的比例也对多孔炭微球的电化学性能产生了影响,其中当SPDVB与FeC13·6H20的质量比为1：4时制备的样品具有最好的倍率性能和电容行为以及最小的等效串联电阻：得益于比表面积和孔隙度的增加,活化多孔炭微球的比电容值、倍率性能和电容行为等电化学性能得到了改善。通过原位微乳液聚合法制备了内嵌碳纳米管的磺化聚苯乙烯,随后以它为炭前驱体,以铁单质为石墨化催化剂,采用催化石墨化法并结合KOH活化法合成了一系列的内嵌碳纳米管的多级孔结构石墨化炭。通过拉曼光谱分析发现,碳纳米管的加入极大地提高了多孔炭的石墨化程度,从而提高了它的导电性能。氮气吸附／脱附测试分析表明,制得的多孔炭材料同时具有丰富的微孔、介孔和大孔呈现出一个多级的孔结构。电化学分析测试表明,内嵌碳纳米管的多级孔结构石墨化多孔炭表现出优秀的电化学性能,具有高达304.1 F g-1的比电容值(25 mV s-1)、极好的倍率性能(在150A/g拥有89%的容量保持率)、高的能量密度(5.48Wh/kg)和功率密度(28.8kW/kg)。此外,与活化碳纳米管相比,内嵌碳纳米管的多级孔结构石墨化多孔炭的比电容值得到了极大的提高、电容行为得到了极大的改善,而与纯多孔炭相比,内嵌碳纳米管的多级孔结构石墨化多孔炭的倍率性能和大电流下的充电/放电性能得到了改善。
【关键词】：超级电容器 多级孔结构 催化石墨化 碳纳米管 多孔炭 炭微球
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 超级电容器概况11-13
• 1.1.1 超级电容器的概念及工作原理11-12
• 1.1.2 超级电容器的分类12-13
• 1.2 超级电容器炭基电极材料13-17
• 1.2.1 活性炭14
• 1.2.2 碳纳米管14-16
• 1.2.3 石墨烯16-17
• 1.2.4 碳气凝胶17
• 1.3 多孔炭基材料的制备方法17-19
• 1.3.1 模板法17-18
• 1.3.2 活化法18-19
• 1.4 多级孔结构炭材料的研究现状19-21
• 1.5 墨化多孔炭的研究现状21-22
• 1.6 本论文的研究意义、目的及内容22-23
• 第二章 实验方法23-30
• 2.1 实验材料23-24
• 2.2 实验仪器与设备24
• 2.3 实验方法24-27
• 2.3.1 多级孔结构石墨化炭微球的制备24-26
• 2.3.2 内嵌碳纳米管的多级孔结构石墨化炭的制备26-27
• 2.4 结构分析与性能测试方法27-30
• 2.4.1 结构分析方法27-28
• 2.4.2 电化学性能测试方法28-30
• 第三章 多级孔结构石墨化炭微球的制备及其电容性能研究30-52
• 3.1 前言30-31
• 3.2 合成路线31-32
• 3.3 结构与形貌的表征与分析32-42
• 3.3.1 结构表征与分析32-33
• 3.3.2 SEM分析33-36
• 3.3.3 TEM分析36-37
• 3.3.4 多孔炭微球的石墨化程度分析37-39
• 3.3.5 比表面积和孔隙结构分析39-42
• 3.4 电化学性能测试与分析42-50
• 3.4.1 未活化的多孔炭微球的电化学性能42-45
• 3.4.2 活化多孔炭微球的电化学性能45-48
• 3.4.3 两步活化法中KOH与HCM-4比例的不同对电化学性能的影响48-50
• 3.5 小结50-52
• 第四章 内嵌碳纳米管的多级孔结构石墨化炭的制备及其电容性能研究52-66
• 4.1 前言52-53
• 4.2 结果与讨论53-64
• 4.2.1 结构与形貌的表征与分析53-59
• 4.2.2 多孔炭的电化学性能测试与分析59-64
• 4.3 小结64-66
• 结论66-67
• 参考文献67-74
• 附录A 攻读学位期间发表的学位论文目录74-75
• 致谢75

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本文编号：845936