低聚倍半硅氧烷為碳源制備有序分級孔碳及電容性能研究.pdf

1、碳基超級電容器具有充放電時間短、使用溫度范圍寬、循環(huán)壽命長、安全性能好等諸多優(yōu)點，是最具應(yīng)用前景的新型儲能裝置之一。但是，與二次電池相比，其能量密度較低。在保持碳基超級電容器高比功率的前提下，通過調(diào)控多孔碳電極材料的孔隙結(jié)構(gòu)來提高其能量密度是該領(lǐng)域的研究重點。研究表明，孔徑與凈電解液離子尺寸相當(dāng)?shù)某⒖滋紦碛写蟊热萘績δ芴匦?，但?大孔尺度的離子傳輸通道的缺乏影響其大倍率充放電性能。本文提出以具有分子內(nèi)有機(jī)/無機(jī)雜化特點的多面體低聚倍半

2、硅氧烷（POSS）作為碳源和產(chǎn)生均勻微孔的自模板，嵌段共聚物聚集體或者膠態(tài)晶體為產(chǎn)生有序介孔的軟、硬模板，合成出有序微/介分級孔碳。具體內(nèi)容如下：
　　1.提出一種基于POSS與兩親性Pluronic型三嵌段共聚物PEO-PPO-PEO間自組裝合成分級多孔碳的新方法。由于POSS分子中硅氧籠的分子尺度模板效應(yīng)以及嵌段共聚物和所用的胺基功能化POSS化合物（籠型八胺苯基倍半硅氧烷，OAPS）間良好的組裝適應(yīng)性，所得碳既擁有十分均勻的

3、微孔（尺寸~1 nm），也擁有高度有序的介孔（尺寸~4 nm），同時，還具有超過2000 m2 g?1的高比表面積和超過1.19 cm3 g?1的大孔容。通過簡單地采用具有不同PEO/PPO比的嵌段共聚物，材料的介觀對稱性可以為二維六方（p6m）和體心立方（Im3 m）。另外，因為OAPS為富含氮元素的碳源前驅(qū)體，氮官能團(tuán)也能自發(fā)摻雜到碳材料中。由于該類分級孔碳具有孔徑接近電解液離子尺寸的均勻微孔，其在凈離子液體電解液中最大比容量達(dá)~1

4、63 F g?1，在1.0 M H2SO4水系電解液中達(dá)~216 Fg?1。由于能夠顯著減小電荷傳遞阻力，該類分級孔碳與純微孔碳相比表現(xiàn)出良好的倍率性能。當(dāng)電流密度從0.25增至10 A g?1，最優(yōu)試樣在凈離子液體和1.0 M H2SO4電解液中容量保持率分別可達(dá)94％和97%。
　　2.由于商品化的Pluronic型三嵌段共聚物種類相對有限且分子量較低（通常Mw<15000），由其膠束模板產(chǎn)生的有序介孔尺寸一般難以超過5 nm

5、。為了研究介孔孔徑對分級孔碳電容性能的影響，我們進(jìn)一步以氧化硅膠態(tài)晶體為模板，籠型八胺苯基倍半硅氧烷（OAPS）為碳源，制備出含三維有序介孔、介孔孔徑在14~40 nm范圍內(nèi)精確可調(diào)的有序微/介分級孔碳。結(jié)果表明，在凈離子液體電解液中，隨著介孔孔徑增加，所得分級孔碳的倍率性能呈下降趨勢。這可能是因為介孔孔徑的增大也伴隨著孔壁的明顯變厚，反而增大了電解液向孔壁微孔內(nèi)遷移、擴(kuò)散的阻力。具有最小介孔孔徑（~14 nm）的碳試樣在電流密度為0.