多孔炭基超級(jí)電容器性能優(yōu)化：氮摻雜和電解液添加劑機(jī)理研究.pdf

1、超級(jí)電容器是用于快速存儲(chǔ)和釋放電能的裝置，該裝置是介于蓄電池和傳統(tǒng)電容器之間的新型儲(chǔ)能器件。它具有循環(huán)壽命長(zhǎng)，比電容大，功率密度和能量密度高等優(yōu)點(diǎn)。研究表明電極材料的性質(zhì)是影響其性能的核心因素。尋找高性能材料是當(dāng)前超級(jí)電容器研究的熱點(diǎn)。相比其他超級(jí)電容器用電極材料，炭基電極材料由于其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)引起了研究者廣泛的關(guān)注。本論文采用模板炭化法，通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，制備一系列結(jié)構(gòu)可控，電化學(xué)性能優(yōu)異的納米多孔炭材料。此外，通過(guò)添加氧化還

2、原添加劑進(jìn)一步提高電化學(xué)性能。論文的主要內(nèi)容如下:
　　1.通過(guò)一種同步模板炭化和氮化的方法制備一系列的氮摻雜納米多孔炭材料，其中葡萄糖作為炭源，偶氮二甲酰胺(ADC)，尿素和三聚氰胺作為氮源和模板。結(jié)果表明所制備的炭材料均顯示非晶低石墨化的特點(diǎn)。Carbon-G-A樣品通過(guò)在800℃熱解葡萄糖和偶氮二甲酰胺制得，具有高比表武積（624.8 m2 g-1），大的孔容(0.53cm3 g-1)和非常高的氮含量(10.35％)。Car

3、bon-G-A樣品同樣展示了優(yōu)異的電化學(xué)性能，在1 Ag-1的電流密度下其比電容高達(dá)202.7 Fg-1。并且，該樣品在5000次循環(huán)后仍具有92.3％的電容保持，具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，使用尿素和三聚氰胺作為氮源制備的氮摻雜炭材料呈現(xiàn)較差的孔隙率和較低的氮含量，但在1Ag-1的電流密度下兩樣品仍呈現(xiàn)優(yōu)良的比電容，分別為148.7 F g-1和126.1 Fg-1。該方法利用偶氮二甲酰胺、尿素和三聚氰胺作為氮源，直接簡(jiǎn)單的將便宜的葡

4、萄糖轉(zhuǎn)換為高電容的氮摻雜納米多孔炭材料。
　　2.在本論文中，使用葉酸作為炭源和氮源，硝酸鋅作為模板利用同步模板炭化氮化法制備高含氮量多孔炭材料（氮含量12.4％）。為了提升炭基超級(jí)電容器的性能，兩種新型的氧化還原添加劑鎂試劑Ⅰ和茜素黃試劑分別添加到KOH中制成混合電解液。在混合電解液中，兩種添加劑都可以發(fā)生快速的電子轉(zhuǎn)移和氧化還原反應(yīng)。在鎂試劑Ⅰ作為電解液添加劑的情況下，M-10樣品通過(guò)將10 mmol L-1 MI加入2mol

5、 L-1 KOH電解液制成，在電流密度為3Ag-1時(shí)樣品電容為451Fg-1，而在相同電流密度下空白樣品電容只有180 F g-1。在茜素黃作為電解液添加劑的情況下，A-10樣品通過(guò)將10 mmol L-1AYR加入2 mol L-1 KOH電解液制成，A-10樣品在3Ag-1的電流密度下的電容也可以提高到405Fg-1。這說(shuō)明了MI和AYR由于氨基（由硝基還原而成）和苯環(huán)上的羥基官能團(tuán)發(fā)生了快速的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生了贗電容并伴隨著電子的

6、得失，從而有增加總電容的作用。本次工作為制備性能優(yōu)異的超級(jí)電容器提供了一種簡(jiǎn)單卻有效的方法。
　　3.在本工作中，通過(guò)模板炭化法成功合成一系列分層多孔炭材料，其中廉價(jià)的CaCO3作為模板，葡萄糖作為炭前驅(qū)體。在炭化過(guò)程中，CaCO3分解產(chǎn)生的CO2可以作為內(nèi)部活化劑，能有效的提高微孔性和中孔性。通過(guò)調(diào)節(jié)葡萄糖和CaCO3的比例制得的炭材料均顯示低石墨化非晶特征。其中carbon-1∶2樣品呈現(xiàn)出一系列的優(yōu)點(diǎn)，包括高比表面積(818

7、.5 m2 g-1)和高孔容（1.78 cm3 g-1）以及在1 Ag-1的電流密度下比電容高達(dá)107.0 Fg-1。另外，為了提高總的電容性能，對(duì)苯二酚(HQ)、對(duì)氨基苯酚(PAP)和對(duì)硝基苯酚(PNP)這三種新型氧化還原添加劑被添加至KOH電解液中通過(guò)在電極-電解液表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)從而產(chǎn)生贗電容。正如預(yù)期的一樣，相比于傳統(tǒng)KOH電解液，在HQ-0.5電解液中測(cè)得的充放電比電容升高了2.5倍，高達(dá)240.0Fg-1。同樣地，在PA