超級電容器用新型氮雜環(huán)多孔有機(jī)聚合物電極材料的研究.pdf

1、超級電容器具有功率密度高、循環(huán)壽命長、對環(huán)境友好等特點，是近年來受到廣泛關(guān)注的一類新型的綠色能量轉(zhuǎn)換裝置。目前，商品化超級電容器普遍采用的電極材料基本是多孔炭材料，但是這一類型的電極材料的比電容較低，導(dǎo)致電容器能量密度不理想。因此，如何提高電極材料的比電容進(jìn)而提高超級電容器能量密度成為現(xiàn)階段研究的重點與熱點。已有研究表明，雜原子摻雜的多孔炭材料可有效提高電極材料的比電容。但是，電極材料的孔結(jié)構(gòu)、雜原子種類、位置以及含量等無法精確調(diào)控。因

2、此，本論文從分子設(shè)計出發(fā)，將雜原子通過共價鍵方式引入到聚合物材料中，既可以提高電極材料的比電容又可延長其使用壽命。此外，通過改變聚合溫度來調(diào)控雜原子含量、孔結(jié)構(gòu)等微觀因素，進(jìn)而優(yōu)化電極材料的聚合工藝，探索材料的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的構(gòu)效關(guān)系。本論文的具體研究內(nèi)容如下：
　?。?）設(shè)計、合成新型含有氮雜環(huán)的二腈單體THDN，采用離子熱法，在不同聚合條件下制得多種含氮、氧雜原子的多孔有機(jī)聚合物PCTFs（Phthalazinone-

3、based Covalent Triazine Frameworks），即分別在550℃、600℃、650℃、700℃條件下聚合，得到產(chǎn)物分別為PCTFs@550，PCTFs@600，PCTFs@650，PCTFs@700，將其作為超級電容電極材料并研究其電性能。結(jié)果表明，不同溫度下聚合得到的PCTFs均以微孔結(jié)構(gòu)為主但伴有少量的介孔結(jié)構(gòu)。隨著聚合溫度的升高，材料的比表面積由981m2/g增加到1464m2/g，氮原子從8.10at.%

4、減少到3.16at.%。PCTFs@600電容性能最佳，即在三電極測試體系中，當(dāng)電流密度為0.1A/g時，比電容可達(dá)到256F/g，且經(jīng)30000余次循環(huán)后，保持率仍高達(dá)110%。以TEABF4/AN為電解液，測得PCTFs@550的能量密度可達(dá)36Wh/kg，經(jīng)過10000次循環(huán)后比電容保持率為92％。
　　（2）在上述材料制備的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高電極材料的離子傳輸性和電子傳導(dǎo)性，合成新型含有二氮雜萘酮結(jié)構(gòu)的二腈單體BHP，

5、采用離子熱法，在不同聚合條件下制得不同雜原子含量的多孔有機(jī)聚合物MPCFs（Multi-heteroatoms Porous Carbon Frameworks），即分別為MPCFs@600，MPCFs@650，MPCFs@700，將其作為超級電容電極材料并研究其電性能。結(jié)果表明，通過改善單體結(jié)構(gòu)，MPCFs電極材料較PCTFs具有更優(yōu)異的離子傳輸和擴(kuò)散性能。此外，隨著聚合溫度的升高，MPCFs電極材料的孔結(jié)構(gòu)由微孔逐漸向介孔轉(zhuǎn)變，比表