碳基納米材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與調(diào)控及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、超級電容器作為一種重要的能源存儲技術(shù)，具有鋰離子電池和普通電解電容器不具備的諸多優(yōu)點。目前超級電容器實現(xiàn)更大規(guī)模的應(yīng)用主要障礙是其能量密度相對較低和制作成本較高，因此，該領(lǐng)域致力于提高能量密度和降低制作成本。商用超級電容器的電極材料主要是碳基材料。碳基超級電容器存在的主要問題是:居高不下的制備成本，制約了它的應(yīng)用范圍;而其孔徑分布不合理導(dǎo)致的容量難以提高，則是碳基電容器電極材料制備的瓶頸。
　　使用豐富的可再生資源制備孔隙結(jié)構(gòu)可調(diào)

2、的碳納米材料是一種有效的降低超級電容器成本的方法。通過對碳基超級電容器材料的孔徑級配和孔隙結(jié)構(gòu)的設(shè)計，嘗試不同方法對碳基材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)控，以研究不同碳基納米結(jié)構(gòu)對碳基超級電容器電化學(xué)儲能性能的影響是本文研究的研究目標(biāo)。本論文主要研究內(nèi)容如下:
　　1、以檸檬酸為原料通過冰模板法制備多孔碳?xì)饽z，以KOH作為活化劑進(jìn)行高溫活化處理，腐蝕活化出更多微孔，實現(xiàn)了對分級多孔的碳?xì)饽z的可控制備。液氮快速冷凍得到的最終樣品具有圓柱形大孔，而

3、冰箱慢速冷凍得到的最終樣品具有狹縫形大孔結(jié)構(gòu)。冷凍方式不同可以得到不同孔型的碳?xì)饽z。液氮和冰箱冷凍碳?xì)饽z，在2mV/s的掃速下比電容分別達(dá)到204.3 F g-1和235.6 F g-1。兩種冰模板制備方法簡單環(huán)保，為利用可再生資源制備分級多孔碳電極材料提供了一種新的制備方法。
　　2、盡管利用冰模板法可以制備出具有良好電化學(xué)性能的多孔碳，但是制備的多孔碳的孔隙結(jié)構(gòu)可控性需進(jìn)一步提高。本論文首次提出將KIT-6和氧化硅球組裝在

4、一起構(gòu)成二氧化硅雙模板。利用結(jié)構(gòu)設(shè)計和尺寸優(yōu)化制備出的二氧化硅雙模板，通過木素磺酸鹽灌注、高溫碳化、模板去除和化學(xué)活化等過程實現(xiàn)多孔碳孔隙結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，制備出電容性能良好的分級多孔碳材料。木素磺酸鹽這種天然高分子材料是非常理想的模板法制備多孔碳的原材料。本研究為利用可再生資源制備具有結(jié)構(gòu)可調(diào)的多孔碳材料提供了一種有效可行的設(shè)計思路。
　　3、在進(jìn)行碳材料結(jié)構(gòu)調(diào)控的基礎(chǔ)上，設(shè)計了無機(jī)納米結(jié)構(gòu)-碳復(fù)合結(jié)構(gòu)電極材料。用尿素做形態(tài)導(dǎo)向，通過

5、一步水熱法制備TiO2，所得TiO2在NH3氣氛下800℃氮化1h。之后，葡萄糖水熱法涂覆薄層碳。最后，在管式爐中800℃的NH3氣氛下1h同時經(jīng)歷了進(jìn)一步的氮化和完全碳化，轉(zhuǎn)化為包碳TiN。由于TiN優(yōu)異的導(dǎo)電性，制備成超級電容器電極后活性材料海膽狀包碳TiN和基板之間具有的很好的導(dǎo)電接觸。碳?xì)た梢员Ｗo(hù)多晶TiN不受機(jī)械開裂和化學(xué)氧化的影響。薄層碳?xì)た梢蕴岣逿iN的穩(wěn)定性。
　　綜上所述，本論文的研究內(nèi)容主要是碳基納米材料的結(jié)構(gòu)

6、設(shè)計與調(diào)控?；诒０宸ㄖ苽涮?xì)饽z，通過對冷卻條件的精確調(diào)控，得到不同孔型的多孔碳?xì)饽z，活化進(jìn)一步提高了電容性能。以工業(yè)和生活廢棄物提取的天然高分子為主要原料，通過二氧化硅雙模板法對碳孔隙結(jié)構(gòu)及其相關(guān)電學(xué)特性的調(diào)控，得到分級多孔碳電極材料。探索了碳?xì)ぐ睺iN納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。論文從性能設(shè)計，化學(xué)合成和結(jié)構(gòu)調(diào)控，以及將不同電容器材料復(fù)合，進(jìn)行了深入的理論和實驗研究，并獲得了高性能的超級電容器電極材料。本論文所述的研究結(jié)果和設(shè)計思路為制