硬模板法可控合成层级多孔碳基超级电容器电极材料
超级电容器是一种容量高、功率密度高、充/放电迅速、循环稳定性好的一种新型储能器件。在各种便携式电子设备、电动汽车等领域具有广阔的应用前景,其性能主要取决于电极材料。本硕士论文设计了硬模板法合成层级多孔碳材料、氮掺杂层级多孔碳材料和多孔碳/聚邻苯二胺复合材料并将其用作超级电容器电极材料,探索了这些材料的结构与性能之间的关系。主要内容和结果如下:以碱式碳酸锌（BZC）和碳酸钾（PC）分别为反应硬模板和活化剂合成了多孔碳材料。考察了含碳前驱体、碳化温度以及前驱体比例对样品结构性能的影响。在800℃热处理温度下,以葡萄糖（G）为碳前驱体,碳源、反应硬模板和活化剂质量比例为2:1:1的条件下合成的样品HPC（G-BZC-PC）具有微-介孔层级孔结构、高的比表面积、较高的石墨化程度以及无杂原子掺杂;其作为电极材料在6 M KOH的扣式电池测试中的比电容在1 A/g时达到241.1 F/g,即使电流密度增大至20 A/g时,仍然具有较好的倍率性能（86.2%）;在10000次充放电循环后,依然保持97.1%的初始电容值,显示出良好的循环稳定性。另外,在中性电解质测试中,电势区间拓宽,电容器的能量密度提高到12.0 Wh/Kg（400 W/Kg）。以上述制备方法,通过加入N掺杂剂合成了系列氮掺杂样品（N-HPCs）。考察了掺杂剂、掺杂比例以及反应硬模板种类对样品结构和性能的影响。当仍以BZC为硬模板,尿素（U）为掺杂剂,前驱体、反应硬模板和活化剂质量比例为2:1:2:2比例下,合成的N-HPC（G/U-BZC-PC）具有丰富的珊瑚状形貌、微-介孔层级孔结构、高的比表面积。N掺杂提高了其作为超级电容器电极材料的比电容,达到301.9 F/g（1 A/g）,仍然具有较好的倍率性能（10 A/g时89.4%）和循环稳定性（10000次后98.1%）。以上述氮掺杂的样品N-HPC（G/U-BZC-PC）与邻苯二胺（oPD）进行原位氧化聚合制备了系列复合材料（N-HPC/PoPD）。探索了复合比例以及氧化剂类型对材料结构、电化学性能的影响。以FeCl3为氧化剂,N-HPC与oPD质量比为1:1合成的样品N-HPC/PoPD（1:1）表现出最高的电化学性能,在三电极体系测试下,比电容达到了679 F/g（1 A/g）,倍率性能为81.6%（增至10 A/g）;在纽扣电池测试下,比电容也高达441 F/g,倍率性能也达到了86.6%,有潜力用作超级电容电极材料。同时采用自合成的有序介孔碳N-MC代替N-HPC合成了系列复合材料（N-MC/PoPD）,三电极体系测试下的比电容仅为229.3 F/g（1 A/g）。
- 作者：
- 许皓
- 学位授予单位：
- 北方民族大学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2020年
- 导师姓名：
- 严祥辉
- 中图分类号：
- TM53；TB332
- 关键词：
- 超级电容器；层级多孔；反应硬模板；化学活化；氮掺杂；复合材料
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