多级孔碳材料的制备及其电容性能研究
超级电容器是一种对环境友好、无污染的储能器件，应用在便携式电子设备、电动汽车、燃料电池、铁路、通讯、国防等领域。现有的超级电容器电极材料在某些方面存在着很多的缺陷，随着科学的进步和新型材料的出现，给了更多的选择。研究出合成方法简单、电压窗口高、能量密度高、循环稳定性好的电极材料成为当今世界的热门课题之一。材料的形貌和N元素的掺杂对电容的性能也有着根本性的影响。本文基于双电层电容的储能机理及碳电极材料的研究进展，对多孔碳材料合成及超级电容器性能提高进行了探索。详细的研究内容如下: 首先，对一种N掺杂分级多孔碳材料(HPDC)的合成及其电容性能进行探究:它是通过ZnO为模板，由非常规碳源聚偏二氯乙烯脱卤得到，其中ZnO既为脱卤剂又为模板剂，在高温煅烧后通过耦合反应，得到大比表面积(1540.2m2·g-1)、孔结构丰富、导电性好的N掺杂分级多孔碳材料。实验发现高温下H2O的蒸发可以产生大孔结构，通过ZnO活化作用得到大量的介孔和微孔，N元素的掺杂也有利于电容性能提升。详细探讨了焙烧温度、ZnO量、三聚氰胺（N源）量以及氧化物种类等实验条件对材料形貌、结构和电化学性能的影响。最优化实验条件下合成的多孔碳材料HPDC在初始电流密度0.5A·g-1时的容量值能达到315F·g-1，是一种具备应用潜力的电极材料。 最近，水系电容器在贮存能量方面变得越来越流行，它有很多的优点，例如花费低、无污染、稳定且安全。然而，因为H2O在电压为1.23V时发生电解，所以低电压窗口一直是限制水系电容器能量密度的主要原冈。将聚偏二氯乙烯脱卤得到N掺杂分级多孔碳材料应用到水系电容器中，探讨了多种碱性和中性电解液对电容器性能的影响。所组装的电容器在电解液为1.0MLi2SO4中能够将电压窗口稳定提高到1.8V，有效抑制了H2O的电解，其能量密度能够到达21.4Wh·Kg-1，且具有较好的稳定性。 不仅提供了一种具备优异电容性能的电极材料的合成路线，还通过电解液的选择，有效抑制水分解，得到了一种具有很高的电压窗口、高能量密度和安全性的水系电容器。对于超级电容器的开发具备重要的意义。
超级电容器;多级孔碳材料;制备工艺;电容性能
北京化工大学
硕士
化学工程
常铮;丁轶
2017
中文
TM53;TM242:TM205.1
85
2017-08-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）