碳質(zhì)摻雜、復(fù)合材料的設(shè)計(jì)合成及其電容性能研究.pdf

1、超級(jí)電容器是一類綠色、高效的電化學(xué)儲(chǔ)能器件，具有功率密度高，循環(huán)壽命長(zhǎng)，充放電快速，工作溫度范圍寬以及安全、無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，在功率輸出和充放電速度有較高要求的輔助動(dòng)力電源、啟動(dòng)裝置及便攜電子產(chǎn)品中有重要應(yīng)用前景。電極是電荷儲(chǔ)存和輸出的主體，電極材料比表面積、孔道特征、親水性、結(jié)晶度以及界面氧化還原活性直接決定著超級(jí)電容器的儲(chǔ)能性能。設(shè)計(jì)合成高比容電極材料，構(gòu)建高效儲(chǔ)能體系，提高器件儲(chǔ)能性能是超級(jí)電容器領(lǐng)域目前的主要研究任務(wù)。
　　碳

2、材料是一類重要的雙電層電極材料，通過(guò)優(yōu)化其比表面積、導(dǎo)電性和親水性能有效提高儲(chǔ)能性能。此外，碳材料可以作為導(dǎo)電基體，通過(guò)異質(zhì)元素?fù)诫s和客體材料的復(fù)合衍生出一系列摻雜或復(fù)合材料，獲得良好電容和催化性能。本論文從多孔碳著手，采用不同前驅(qū)體合成了一系列活性炭，通過(guò)優(yōu)化其比表面積、電子離子傳質(zhì)通道和異質(zhì)元素?fù)诫s，提高其電容性能和催化活性，并構(gòu)建了不同電解質(zhì)體系電容器件，利用材料自身及電解質(zhì)的贗電容貢獻(xiàn)提高電極儲(chǔ)能容量。此外，通過(guò)石墨烯與金屬氧化

3、物形成復(fù)合物優(yōu)化電極比容、倍率和循環(huán)性能，并與活性炭電極構(gòu)建非對(duì)稱電容體系拓寬電壓窗口，在維持較高功率密度同時(shí)，獲得了良好的能量密度和循環(huán)性能。具體內(nèi)容如下:
　　1、以生物質(zhì)碳源（泡桐花，PF）為前驅(qū)體，經(jīng)過(guò)碳化、堿活化處理，制備了具有較高比表面積，富含微孔、介孔/大孔的多級(jí)孔道結(jié)構(gòu)，適當(dāng)石墨化程度和良好表面潤(rùn)濕性的活性碳材料(a-PFC3)?；赼-PFC3的對(duì)稱超級(jí)電容器具有較高比容(297 F g-1，1Ag-1)、良好的

4、倍率性能和出眾的循環(huán)穩(wěn)定性。并能通過(guò)多個(gè)器件單元的串聯(lián)組裝對(duì)外進(jìn)行電荷輸出，顯示出良好的應(yīng)用性能。
　　2、以聚苯胺作為前驅(qū)體經(jīng)過(guò)碳化和不同溫度堿活化，合成了具有微孔結(jié)構(gòu)、可調(diào)N摻雜量及類型的N摻雜活性碳(a-NCs)，這類材料在超級(jí)電容器中展示出良好電容特性，同時(shí)對(duì)4-硝基苯酚的氫化反應(yīng)具有不同程度的催化活性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，活化溫度對(duì)a-NCs材料的比表面積、N元素含量和類型、石墨化程度以及電容性能和催化活性起著重要作用，因此可

5、以通過(guò)操作合成條件調(diào)控材料應(yīng)用性能。較低活化溫度(600℃)所制備a-NC600具備較高N和O含量，因而贗電容貢獻(xiàn)較多，因此能提供最佳比容(309F g-1，1 Ag-1)。與之相比，在800℃活化處理的氮摻雜活性碳材料a-NC800具有較高比表面積及較高石墨化N含量，其電容性能有所降低，但是對(duì)4-硝基苯酚的氫化反應(yīng)具有較理想的非均相催化活性。
　　3、以三聚氰胺海綿-聚苯胺復(fù)合物為前驅(qū)體，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的碳化處理合成了具有較高比表面積

6、、適當(dāng)石墨化程度和較高異質(zhì)元素N含量的氮摻雜多孔碳(NC)。通過(guò)調(diào)節(jié)碳化溫度能有效優(yōu)化電容器件的儲(chǔ)能性能。此外，這類NC材料對(duì)電解質(zhì)中碘化物的法拉第反應(yīng)具有良好催化活性，可通過(guò)促進(jìn)含碘物質(zhì)的氧化還原反應(yīng)提高電解質(zhì)的贗電容貢獻(xiàn)，在含0.06 M KI的氧化還原電解質(zhì)體系中，電極比容達(dá)到616 F g-1，顯示出優(yōu)越的儲(chǔ)能容量，同時(shí)能保持較高循環(huán)性能。本工作通過(guò)催化電極和氧化還原電解質(zhì)之間的催化反應(yīng)改善電容器件儲(chǔ)能性能，為高比容電容器件的設(shè)

7、計(jì)提供了新的理念。
　　4、以氧化石墨烯(GO)和P123表面活性劑調(diào)控Co3O4的組裝取向，在泡沫鎳集流體表面水熱沉積石墨烯-交聯(lián)陣列多孔Co3O4纖維復(fù)合物，制作出高比容及高效電子離子傳質(zhì)通道的法拉第電極，在2 M KOH電解液體系中的比容達(dá)到2056 F g-1(1A g-1)，同時(shí)具有優(yōu)越的倍率和循環(huán)性能;此外，利用富勒烯碳渣制作出較高雙電層電容的活性碳。所構(gòu)建活性炭//石墨烯-Co3O4多孔纖維復(fù)合物非對(duì)稱電容器件電壓窗