多孔碳基超級(jí)電容器電極材料的修飾及性能研究
發(fā)布時(shí)間：2021-06-05 22:43
本文通過溶膠-凝膠法、水熱碳化和化學(xué)活化等多種方法成功制備了有序介孔碳和分層級(jí)多孔碳材料,并利用不同的元素對(duì)所制備的多孔碳材料進(jìn)行功能化修飾,從而提高其各項(xiàng)性能。通過SEM、TEM、XRD、拉曼光譜、N2吸/脫附等測(cè)試途徑表征材料的微觀形貌和孔道結(jié)構(gòu),采用XPS表征材料的元素含量和元素組成,使用電化學(xué)工作站測(cè)試材料的電化學(xué)性能,并對(duì)材料的合成機(jī)理以及功能化修飾的重要作用進(jìn)行了詳細(xì)的分析和總結(jié)。（1）以酚醛樹脂作為碳源,無水乙醇和去離子水同時(shí)作為溶劑,二氰二胺和植酸分別作為氮源和磷源,在蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝技術(shù)（EISA）的基礎(chǔ)上,開發(fā)了一種創(chuàng)新的溶膠-凝膠法,在成功制備出高性能氮/磷共摻雜有序介孔碳材料的同時(shí),簡化了合成步驟,降低了材料的合成成本。所合成的樣品擁有規(guī)整的孔道結(jié)構(gòu)、高的比表面積和豐富的雜原子官能團(tuán)。電化學(xué)測(cè)試表明,當(dāng)添加的磷源與氮源質(zhì)量比為1:3時(shí),樣品NP-OMC-3具有最優(yōu)異的性能,在電流密度為1 A g-1時(shí),比電容量為320 F g-1,即使在20 A g-1的大電流密度下,其比電容...
【文章來源】：青島科技大學(xué)山東省
【文章頁數(shù)】：93 頁
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
中國可持續(xù)能源發(fā)展的趨勢(shì)[1]
青島科技大學(xué)研究生學(xué)位論文3圖1-2雙電層電容器的儲(chǔ)能原理[10]Fig.1-2Schematicdiagramofelectrochemicaldoublelayercapacitor[10]（2）贗電容電容器（PDLC）PDLC主要是通過電極表面的電解液離子與活性材料之間進(jìn)行迅速、可逆的氧化還原反應(yīng)以完成能量的儲(chǔ)存[11]。PDLC的充放電機(jī)理如圖1-3所示[10]，與EDLC的儲(chǔ)能原理有明顯區(qū)別，PDLC的電極材料表面會(huì)發(fā)生贗電容反應(yīng)，并通過反應(yīng)存儲(chǔ)電荷。在電化學(xué)過程中，贗電容反應(yīng)類型大致包括以下三種：（1）電極材料分子層在充放電過程中發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移產(chǎn)生電位差，發(fā)生吸/脫附反應(yīng)從而表現(xiàn)出電容性能；（2）伴隨電壓變化，材料表面與電解液離子之間發(fā)生緩慢的氧化還原反應(yīng)，使得材料化學(xué)價(jià)態(tài)改變，產(chǎn)生反應(yīng)電容；（3）互嵌贗電容，比如將Na+嵌入到MnO2片層中。目前，最常用的PDLC電極材料主要有過渡金屬氧化物（如RuO2[12]、Fe3O4[13]、NiO[14]、V2O5[15]、MnO2[16]等）和導(dǎo)電聚合物（如聚苯胺等）及它們的復(fù)合材料。與EDLC相比，PDLC具有相對(duì)更高的儲(chǔ)存電荷能力，然而其功率特性與循環(huán)穩(wěn)定性均與EDLC有較大差距，原因是PDLC在充放電時(shí)涉及到化學(xué)反應(yīng)，氧化還原反應(yīng)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于EDLC的吸/脫附物理反應(yīng)的速度。另一方面，與二次電池相比，PDLC的電極比二次電池具有更快的充放電速度和更高的功率密度。二次電池充放電的過程受到固態(tài)體相的控制，相反，PDLC在材料表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，充放電過程不受體相擴(kuò)散控制，因而充放電速度更快[17]。
多孔碳基超級(jí)電容器電極材料的修飾及性能研究4圖1-3贗電容電容器的工作原理[10]Fig.1-3Schematicdiagramofpseudocapacitor[10]1.1.3超級(jí)電容器的組成完整的SC大致由四部分結(jié)構(gòu)組成：活性電極材料、集流體、電解液隔膜和電解質(zhì)，其中，電極材料是SC最為關(guān)鍵的組成部分，對(duì)電容器的性能起到?jīng)Q定性作用。根據(jù)SC不同的儲(chǔ)能原理，電極材料可以分為以碳基材料（包括多孔碳、碳纖維、碳納米管等）為主的EDLC電極材料和以過渡金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物為主的PDLC電極材料[18]。Largeot等[19]報(bào)道當(dāng)電極材料的孔徑尺寸與離子尺寸大小接近時(shí)，電容器能表現(xiàn)出最大的電容性能。多孔碳材料由于具備優(yōu)良的導(dǎo)電性、發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的穩(wěn)定性和高比表面積等諸多優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是SC首選的理想電極材料。1.2多孔碳材料概述多孔碳材料是以碳為介質(zhì)，包含一定數(shù)量相互連通或閉合孔道結(jié)構(gòu)的材料。一方面，多孔碳具備碳材料自身固有的獨(dú)特性質(zhì)，例如化學(xué)穩(wěn)定性高、導(dǎo)電性優(yōu)良、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等特性；同時(shí)，孔結(jié)構(gòu)的引入可以使多孔碳材料具有大的比表面積、可控的孔道結(jié)構(gòu)、寬的孔徑分布等特點(diǎn)。多孔碳材料在有害氣體吸附、水凈化、電催化、光催化及能量存儲(chǔ)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[20]。常見的多孔碳材料包括：碳納米管、碳纖維、有序介孔碳、分層級(jí)多孔碳、石墨烯等。其中，在諸多的多孔碳材料中，有序介孔碳材料由于具有規(guī)則的孔結(jié)構(gòu)、可調(diào)節(jié)的孔徑尺寸、高比表面積以及高循環(huán)穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)在SC電極材料應(yīng)用方面有著極大的應(yīng)用潛力[21-
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Carbon-based supercapacitors for efficient energy storage[J]. Xuli Chen,Rajib Paul,Liming Dai. National Science Review. 2017(03)
[2]“由軟到硬的模板”共聚法合成N摻雜介孔碳納米球（英文）[J]. 孔慶路,張玲霞,王敏,李孟麗,姚鶴良,施劍林. Science Bulletin. 2016(15)
本文編號(hào)：3213058
【文章來源】：青島科技大學(xué)山東省
【文章頁數(shù)】：93 頁
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
中國可持續(xù)能源發(fā)展的趨勢(shì)[1]
青島科技大學(xué)研究生學(xué)位論文3圖1-2雙電層電容器的儲(chǔ)能原理[10]Fig.1-2Schematicdiagramofelectrochemicaldoublelayercapacitor[10]（2）贗電容電容器（PDLC）PDLC主要是通過電極表面的電解液離子與活性材料之間進(jìn)行迅速、可逆的氧化還原反應(yīng)以完成能量的儲(chǔ)存[11]。PDLC的充放電機(jī)理如圖1-3所示[10]，與EDLC的儲(chǔ)能原理有明顯區(qū)別，PDLC的電極材料表面會(huì)發(fā)生贗電容反應(yīng)，并通過反應(yīng)存儲(chǔ)電荷。在電化學(xué)過程中，贗電容反應(yīng)類型大致包括以下三種：（1）電極材料分子層在充放電過程中發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移產(chǎn)生電位差，發(fā)生吸/脫附反應(yīng)從而表現(xiàn)出電容性能；（2）伴隨電壓變化，材料表面與電解液離子之間發(fā)生緩慢的氧化還原反應(yīng)，使得材料化學(xué)價(jià)態(tài)改變，產(chǎn)生反應(yīng)電容；（3）互嵌贗電容，比如將Na+嵌入到MnO2片層中。目前，最常用的PDLC電極材料主要有過渡金屬氧化物（如RuO2[12]、Fe3O4[13]、NiO[14]、V2O5[15]、MnO2[16]等）和導(dǎo)電聚合物（如聚苯胺等）及它們的復(fù)合材料。與EDLC相比，PDLC具有相對(duì)更高的儲(chǔ)存電荷能力，然而其功率特性與循環(huán)穩(wěn)定性均與EDLC有較大差距，原因是PDLC在充放電時(shí)涉及到化學(xué)反應(yīng)，氧化還原反應(yīng)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于EDLC的吸/脫附物理反應(yīng)的速度。另一方面，與二次電池相比，PDLC的電極比二次電池具有更快的充放電速度和更高的功率密度。二次電池充放電的過程受到固態(tài)體相的控制，相反，PDLC在材料表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，充放電過程不受體相擴(kuò)散控制，因而充放電速度更快[17]。
多孔碳基超級(jí)電容器電極材料的修飾及性能研究4圖1-3贗電容電容器的工作原理[10]Fig.1-3Schematicdiagramofpseudocapacitor[10]1.1.3超級(jí)電容器的組成完整的SC大致由四部分結(jié)構(gòu)組成：活性電極材料、集流體、電解液隔膜和電解質(zhì)，其中，電極材料是SC最為關(guān)鍵的組成部分，對(duì)電容器的性能起到?jīng)Q定性作用。根據(jù)SC不同的儲(chǔ)能原理，電極材料可以分為以碳基材料（包括多孔碳、碳纖維、碳納米管等）為主的EDLC電極材料和以過渡金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物為主的PDLC電極材料[18]。Largeot等[19]報(bào)道當(dāng)電極材料的孔徑尺寸與離子尺寸大小接近時(shí)，電容器能表現(xiàn)出最大的電容性能。多孔碳材料由于具備優(yōu)良的導(dǎo)電性、發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的穩(wěn)定性和高比表面積等諸多優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是SC首選的理想電極材料。1.2多孔碳材料概述多孔碳材料是以碳為介質(zhì)，包含一定數(shù)量相互連通或閉合孔道結(jié)構(gòu)的材料。一方面，多孔碳具備碳材料自身固有的獨(dú)特性質(zhì)，例如化學(xué)穩(wěn)定性高、導(dǎo)電性優(yōu)良、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等特性；同時(shí)，孔結(jié)構(gòu)的引入可以使多孔碳材料具有大的比表面積、可控的孔道結(jié)構(gòu)、寬的孔徑分布等特點(diǎn)。多孔碳材料在有害氣體吸附、水凈化、電催化、光催化及能量存儲(chǔ)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[20]。常見的多孔碳材料包括：碳納米管、碳纖維、有序介孔碳、分層級(jí)多孔碳、石墨烯等。其中，在諸多的多孔碳材料中，有序介孔碳材料由于具有規(guī)則的孔結(jié)構(gòu)、可調(diào)節(jié)的孔徑尺寸、高比表面積以及高循環(huán)穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)在SC電極材料應(yīng)用方面有著極大的應(yīng)用潛力[21-
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Carbon-based supercapacitors for efficient energy storage[J]. Xuli Chen,Rajib Paul,Liming Dai. National Science Review. 2017(03)
[2]“由軟到硬的模板”共聚法合成N摻雜介孔碳納米球（英文）[J]. 孔慶路,張玲霞,王敏,李孟麗,姚鶴良,施劍林. Science Bulletin. 2016(15)
本文編號(hào)：3213058
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