MOFs衍生多孔碳基复合电极的制备及其电化学性能研究
发布时间：2021-08-31 11:56
随着经济的快速发展,不可再生化石能源的日益枯竭,成本低、能量密度高、循环稳定性好及环境友好型储能设备引起了科研人员及社会的广泛关注。现阶段,在诸多的储能设备中,最普遍使用的储能设备是电池,因为其能储存能量并稳定的释放能量,且具有较小的质量和体积,但是其能量传输较慢,从而大大地限制了其应用。而超级电容器是一种新型的电化学储能设备,不仅具有高的功率密度和循环寿命长等优点,而且充放电速度快,在混合动力汽车及各类便携式电子设备等众多领域有广泛的应用前景。电极材料,是超级电容器的重要组成元素之一。开发高性能、轻量化及具有柔性的电极材料是超级电容器技术发展的关键。多孔碳材料,以其高比表面积、稳定的电化学性能等优势,在超级电容器中得到广泛应用。高温碳化是制备多孔碳材料常见方法之一,且采用不同的前驱体可制备不同孔径的多孔碳材料,常见的前驱体有淀粉、木材、有机聚合物类、动物毛发、金属-有机框架等。本论文采用具有较大比表面积、较高孔隙率的金属-有机框架（MOFs）作为前驱体,制备具有高比表面积的多孔碳材料,并探讨了制备工艺对其结构与性能的影响;由于多孔碳材料主要是基于双电层电容,所表现的质量比电容不高,利...
【文章来源】：东华大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
不同储能器件的Ragone图[4]
东华大学博士学位论文第一章3虽然太阳能、风能等可再生能源对环境无污染，但是它们易随气候、天气、时辰的变化而出现不可控、不稳定的情况，致使太阳能和风力所发的电能并不能直接并入电网从而产生经济效益，而引入超级电容器来作为大容量储能设备使用之后，生成的多余电量可暂时储存在超级电容器中，当电量不足时，超级电容器可以释放存储的电量，从而起到“削峰填谷”的作用。而在通信领域中，应移动通信设备的需求，电源必须能够输出大幅值的脉冲电流，同时还需要具有温度范围宽、循环使用寿命长、响应速度快的特点，因此超级电容器远比传统化学电池有优势[20-22]。1.2超级电容器的分类及其工作原理依据储能机理差异，超级电容器可分两类：双电层电容器（EDLC）和法拉第赝电容器[23]。前者是通过电极与电解质界面的双电层来存储电荷，如图1-2（a）所示，EDLC的电极材料通常是具有较高比表面积的碳材料；后者是利用活性物质在表面发生快速且可逆的氧化还原反应来存储电荷，如图1-2（b）所示。常用的赝电容材料有导电聚合物，如聚苯胺（PANI）[24]、聚吡咯（PPy）[25]和聚噻吩（PTh）[26]等，还有过渡金属氧化物，如二氧化锰（MnO2）[27]、四氧化三铁（Fe3O4）[28]、氧化镍（NiO）[5]和二氧化钌（RuO2）[29]等。两种超级电容器的储能机理及其相关电极材料将在后续章节中详述。图1-2两种不同电荷储存机理示意图：(a)双电层电容和(b)赝电容[23]Figure1-2Schematicoftwodifferentchargestoragemechanismsvia(a)electrochemicaldoublelayercapacitanceor(b)redoxreactionsbasedpseudocapacitance[23]
该超级电容器中紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层的间距小很多，因此能产生比普通电容器更大的容量。而且由于近表面的快速电化学过程，EDLC具有相对高的功率密度和长循环寿命，然而，其储存的能量受限于电极材料的比表面积及电解液的分解电压[31]。能量储存的公式[32]为E=1/2×CV2（C为电容器的比电容；V为器件的电位窗口），为了储存更多的电荷，要求电极具有能被有效利用的较高的比表面积，以形成大面积的双电层，从而提高电化学性能。另一方面，可以组装成非对称超级电容器以拓展电位窗口，从而提高储能密度。图1-3(a-c)PETC/G的SEM图；(d-f)PETC/G/CNT的SEM图[33]Figure1-3SEMimagesof(a-c)PETC/Gand(d-f)PETC/G/CNT[33]碳材料由于其高电导率、高比表面积、电化学稳定性和孔隙可调性等特点广泛应用于双电层电容器中[34]。活性炭是使用最早且最多的一种双电层电极材料，除此之外还有许多其他结构的纳米碳材料，如碳纳米管、石墨烯、碳气凝胶和碳化物衍生物等，来保持高功率密度并提高EDLC的能量密度[35,36]。最近，Jin等人[33]报道了在聚酯织物（PETC）上先涂覆一层石墨烯（Graphene），然后再覆盖一层多孔碳纳米管（CNT），来提高电子传输速度，使其表现出较高的电化学性能，如图1-3所示。Zhou等人[37]通过溶胶化和碳化活化过程成功制备具有大孔、中孔和微孔的层状多级孔碳气凝胶，且具有高的比表面积、高比电容和优异的循
【参考文献】：
期刊论文
[1]Influence of graphene microstructures on electrochemical performance for supercapacitors[J]. Youning Gong,Delong Li,Qiang Fu,Chunxu Pan. Progress in Natural Science:Materials International. 2015(05)
[2]超级电容器研究进展及应用分析[J]. 刘义波,李峰,胡静. 电源技术. 2015(09)
[3]高能球磨法固相掺杂制备樟脑磺酸掺杂聚苯胺[J]. 谷威,李志强,朱申敏,张荻. 化学学报. 2008(09)
本文编号：3374852
【文章来源】：东华大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
不同储能器件的Ragone图[4]
东华大学博士学位论文第一章3虽然太阳能、风能等可再生能源对环境无污染，但是它们易随气候、天气、时辰的变化而出现不可控、不稳定的情况，致使太阳能和风力所发的电能并不能直接并入电网从而产生经济效益，而引入超级电容器来作为大容量储能设备使用之后，生成的多余电量可暂时储存在超级电容器中，当电量不足时，超级电容器可以释放存储的电量，从而起到“削峰填谷”的作用。而在通信领域中，应移动通信设备的需求，电源必须能够输出大幅值的脉冲电流，同时还需要具有温度范围宽、循环使用寿命长、响应速度快的特点，因此超级电容器远比传统化学电池有优势[20-22]。1.2超级电容器的分类及其工作原理依据储能机理差异，超级电容器可分两类：双电层电容器（EDLC）和法拉第赝电容器[23]。前者是通过电极与电解质界面的双电层来存储电荷，如图1-2（a）所示，EDLC的电极材料通常是具有较高比表面积的碳材料；后者是利用活性物质在表面发生快速且可逆的氧化还原反应来存储电荷，如图1-2（b）所示。常用的赝电容材料有导电聚合物，如聚苯胺（PANI）[24]、聚吡咯（PPy）[25]和聚噻吩（PTh）[26]等，还有过渡金属氧化物，如二氧化锰（MnO2）[27]、四氧化三铁（Fe3O4）[28]、氧化镍（NiO）[5]和二氧化钌（RuO2）[29]等。两种超级电容器的储能机理及其相关电极材料将在后续章节中详述。图1-2两种不同电荷储存机理示意图：(a)双电层电容和(b)赝电容[23]Figure1-2Schematicoftwodifferentchargestoragemechanismsvia(a)electrochemicaldoublelayercapacitanceor(b)redoxreactionsbasedpseudocapacitance[23]
该超级电容器中紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层的间距小很多，因此能产生比普通电容器更大的容量。而且由于近表面的快速电化学过程，EDLC具有相对高的功率密度和长循环寿命，然而，其储存的能量受限于电极材料的比表面积及电解液的分解电压[31]。能量储存的公式[32]为E=1/2×CV2（C为电容器的比电容；V为器件的电位窗口），为了储存更多的电荷，要求电极具有能被有效利用的较高的比表面积，以形成大面积的双电层，从而提高电化学性能。另一方面，可以组装成非对称超级电容器以拓展电位窗口，从而提高储能密度。图1-3(a-c)PETC/G的SEM图；(d-f)PETC/G/CNT的SEM图[33]Figure1-3SEMimagesof(a-c)PETC/Gand(d-f)PETC/G/CNT[33]碳材料由于其高电导率、高比表面积、电化学稳定性和孔隙可调性等特点广泛应用于双电层电容器中[34]。活性炭是使用最早且最多的一种双电层电极材料，除此之外还有许多其他结构的纳米碳材料，如碳纳米管、石墨烯、碳气凝胶和碳化物衍生物等，来保持高功率密度并提高EDLC的能量密度[35,36]。最近，Jin等人[33]报道了在聚酯织物（PETC）上先涂覆一层石墨烯（Graphene），然后再覆盖一层多孔碳纳米管（CNT），来提高电子传输速度，使其表现出较高的电化学性能，如图1-3所示。Zhou等人[37]通过溶胶化和碳化活化过程成功制备具有大孔、中孔和微孔的层状多级孔碳气凝胶，且具有高的比表面积、高比电容和优异的循
【参考文献】：
期刊论文
[1]Influence of graphene microstructures on electrochemical performance for supercapacitors[J]. Youning Gong,Delong Li,Qiang Fu,Chunxu Pan. Progress in Natural Science:Materials International. 2015(05)
[2]超级电容器研究进展及应用分析[J]. 刘义波,李峰,胡静. 电源技术. 2015(09)
[3]高能球磨法固相掺杂制备樟脑磺酸掺杂聚苯胺[J]. 谷威,李志强,朱申敏,张荻. 化学学报. 2008(09)
本文编号：3374852
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