多級孔炭材料制備及電容性能研究.pdf

1、超級電容器是近些年來受到廣泛關(guān)注的新型儲能元件，具有循環(huán)壽命長，可逆性良好，能量密度和功率密度高等優(yōu)點，其性能很大程度上取決于電極材料。多孔炭材料具有比表面積大，導(dǎo)電性高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點，成為理想的電極材料。但是多孔炭材料的合成一般需要表面活性劑膠束作為軟模板或多孔氧化硅材料作為硬模板，后續(xù)處理復(fù)雜，易產(chǎn)生污染。本文在采用易分解的納米CaCO3模板或不使用模板的條件下，以不同的碳源制備了三種具有不同孔結(jié)構(gòu)和表面官能團(tuán)的多級孔炭材料，

2、分別考察了材料在堿性電解液中的電容性能。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴采用nano-CaCO3為模板，葡萄糖為碳源，通過簡單的水浴溶劑蒸發(fā)的方法制備了具有介孔、大孔和微孔孔道的海綿狀多級孔炭材料HPC。HPC具有較高的初放電比電容值（213Fg-1），最后穩(wěn)定在165Fg-1。采用微波輔助濃硝酸對海綿狀炭材料進(jìn)行改性處理，隨著改性時間的增加，炭材料結(jié)構(gòu)不變，比表面積和孔容逐漸降低，表面含氧量逐漸增加。微波處理后的炭材料的比電容值明顯

3、得到提高，分別穩(wěn)定在190Fg-1和175 F g-1。但是，倍率性能及循環(huán)穩(wěn)定性較差。采用焙燒處理改性海綿狀炭材料，焙燒后炭材料孔道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定存在，比表面積和孔容增加，不穩(wěn)定的羧基和內(nèi)酯基官能團(tuán)被消除。改性炭材料經(jīng)焙燒處理后具有更好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。RHPC60的穩(wěn)定比電容值為212Fg-1，說明具有電化學(xué)活性的官能團(tuán)所占比例較大時，官能團(tuán)可以發(fā)揮最好的效果，使電極的電容性能整體得到提高。⑵以有機(jī)雙金屬鹽（EDTA二鈉鋅四水合物）

4、為碳源，在無模板條件下，采用直接焙燒碳化的簡單方法制備具有三維多級孔炭材料ESZ。ESZ炭材料由介孔、大孔及微孔孔道構(gòu)成，隨著碳化溫度的增加，炭材料的比表面積和總孔容都逐漸地增加，而且ESZ炭材料均具有部分石墨化結(jié)構(gòu)。材料表面除了具有豐富的含氧官能團(tuán)之外還具有含氮官能團(tuán)，其中含氧官能團(tuán)主要是羰基、酚羥基和醚基，含氮官能團(tuán)主要是吡咯或者吡啶酮。作為電容器電極，ESZ-700電極材料具有良好的電化學(xué)性能即倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，在1Ag-1電

5、流密度下達(dá)到259Fg-1，且循環(huán)1000周后，電容保持率達(dá)到91.5％。⑶以生物質(zhì)材料牛奶為碳源，經(jīng)過水熱反應(yīng)和高溫水蒸汽活化處理制備了具有微孔、介孔和大孔孔道結(jié)構(gòu)和部分石墨化結(jié)構(gòu)的多級孔炭材料HMC。隨著水蒸汽處理時間的增加，材料的比表面積、孔容呈增大趨勢，而微孔所占比率逐漸降低。樣品材料表面有豐富的含氧官能團(tuán)和少量的含氮官能團(tuán)，并且隨著水蒸汽處理時間的增加，含氧量逐漸增加，而含氮量逐漸降低。其中，HMC30具有最好的電容性能，在1

6、 A g-1電流密度下，最大比電容值達(dá)248Fg-1，循環(huán)1000周保持率為87%，掃描速率從5mVs-1增加到200mVs-1，HMC30電容保持率達(dá)到83%，說明具有良好的穩(wěn)定性和倍率性能。⑷炭材料的孔道結(jié)構(gòu)，比表面積和表面性質(zhì)共同影響著超級電容器的電化學(xué)性能。大孔和介孔的存在有利于離子在孔道內(nèi)的快速擴(kuò)散及提高微孔的有效利用面積，提高倍率性能，使電容器可以進(jìn)行大電流放電。含氧官能團(tuán)和含氮官能團(tuán)可以改善炭材料的潤濕性，利于電極表面獲得