發(fā)布時(shí)間：2020-04-16 02:33

【摘要】：雜原子多孔炭材料由于價(jià)廉易得、化學(xué)穩(wěn)定性高、比表面積大及使用溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn),作為超級(jí)電容器電極材料具有獨(dú)特的優(yōu)勢。超級(jí)電容器的性能與電極材料的孔隙結(jié)構(gòu)、表面/體相官能團(tuán)、體相的導(dǎo)電性能等性質(zhì)直接相關(guān)。目前,制備雜原子多孔炭材料的方法仍有各種問題:(1)碳前驅(qū)體合成過程復(fù)雜或分子組成不固定造成雜原子摻雜炭材料制備過程能耗高,雜原子種類和含量不可控;(2)制備的炭材料孔徑單一;(3)雜原子炭材料制備過程繁瑣,且會(huì)帶來環(huán)境污染。因此,簡便、綠色的制備高性能的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的雜原子摻雜多孔炭材料仍面臨挑戰(zhàn)。本課題以吩噻嗪和葡甲胺的質(zhì)子化離子液體為前驅(qū)體,通過多種方法制備結(jié)構(gòu)各異的雜原子摻雜多孔炭材料,系統(tǒng)的研究了雜原子摻雜及不同孔隙結(jié)構(gòu)的炭材料對(duì)超級(jí)電容器電化學(xué)性能的影響。具體工作如下:(1)質(zhì)子化離子液體基N/S共摻雜多孔超級(jí)電容器炭電極材料。采用分子結(jié)構(gòu)中含有N、S元素的吩噻嗪質(zhì)子化離子液體([Phne][HSO_4])為原料制備高電容性能的超級(jí)電容器炭電極材料。[Phne][HSO_4]經(jīng)過700℃熱解后再經(jīng)700℃KOH活化制備的炭材料,具備高比表面積(2010 m~2 g~(-1))、大的孔體積(0.76 cm~3 g~(-1))和微孔體積、高的N、S百分含量(N:2.47 wt.%,S:6.04 wt.%);在堿性電解液中,當(dāng)0.2 A g~(-1)時(shí)其電容性能可達(dá)到430 F g~(-1)。豐富的微孔有效提供雙電層電容,N、S雜原子摻雜的協(xié)同效應(yīng)增強(qiáng)炭材料導(dǎo)電性同時(shí)提供贗電容,這有利于炭材料電容性能的提升。(2)雙軟模板法制備質(zhì)子化離子液體基N/S共摻雜分級(jí)多孔超級(jí)電容器炭電極材料。仍選取[Phne][HSO_4]為原料,以F127和OP-10分別作為介孔和大孔軟模板,經(jīng)蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝后一步碳化直接制備N/S共摻雜分級(jí)多孔炭材料。在熱解過程中,[Phne][HSO_4]不僅可以作為碳源、氮源和硫源,而且由于NH_3、SO_2的釋放可產(chǎn)生部分微孔,因此自身可作為微孔致孔劑,而F127和OP-10在350℃左右被去除留下介孔和大孔,從而一步制得N/S共摻雜分級(jí)多孔炭材料。通過調(diào)節(jié)[Phne][HSO_4]與F127、OP-10的比例可得到系列多孔炭材料,其中比例為15:20:1時(shí)得到的炭材料顯示了高比表面積(575 m~2g~(-1))、大的孔體積(0.55 cm~3g~(-1))、同時(shí)具備微孔、介孔、大孔分級(jí)孔結(jié)構(gòu)和高的N、S含量(N:3.41 at.%,S:6.65 at.%)。在6 M KOH電解液中,電流密度為1 A g~(-1)時(shí)比電容可達(dá)到302 F g~(-1),電流密度為10 A g~(-1)時(shí)比電容仍然可達(dá)到169 F g~(-1),經(jīng)過5000次循環(huán)后電容仍可保留98%。同時(shí),在1 M Na_2SO_4電解液中,呈現(xiàn)優(yōu)異的倍率特性(70%)。合理的孔隙結(jié)構(gòu)減短傳輸路徑,N、S雜原子摻雜的協(xié)同效應(yīng)增強(qiáng)炭材料導(dǎo)電性同時(shí)提供贗電容,顯著提升N/S共摻雜分級(jí)多孔炭材料電化學(xué)性能。(3)免溶劑自組裝制備質(zhì)子化離子液體基N/S共摻雜分級(jí)多孔炭材料應(yīng)用于耐溫和柔性超級(jí)電容器。采用葡甲胺的質(zhì)子化離子液體([Megl][HSO_4])為原料及微孔致孔劑,以F127和十二烷基硫酸鈉分別作為介孔和大孔軟模板,按一定比例固體混合后反應(yīng)釜固化,再高溫?zé)峤庵苽浣榭滋考{米球與褶狀結(jié)構(gòu)相結(jié)合的N/S共摻雜分級(jí)多孔炭材料,方法簡單、環(huán)境污染小。通過調(diào)節(jié)固化溫度和炭化溫度可得到結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能各異的炭材料。當(dāng)熱處理溫度為160℃,炭化溫度為900℃時(shí)得到的樣品性能最佳。在堿性電解液中,當(dāng)0.5 A g~(-1)時(shí)比電容可達(dá)到347 F g~(-1),電流密度為20 A g~(-1)時(shí)比電容仍然可維持174 F g~(-1),經(jīng)過5000次循環(huán)后電容仍保留99%。更重要的是,最佳的樣品在極端溫度和彎折的情況下仍然保持卓越的性能。同時(shí),在中性電解液中,當(dāng)0.5 A g~(-1)時(shí),其比電容可高達(dá)到144 F g~(-1)。因此,綠色,簡單的雙軟模板免溶劑自組裝技術(shù)為制備高性能N/S共摻雜分級(jí)多孔炭材料提供了新思路。
【圖文】：

圖 1-1 表面活性劑軟模板法制備有序介孔聚合物樹脂和炭骨架的方案[16]。.2.2 硬模板法模板法是構(gòu)建多孔炭材料的有效途徑。硬模板通常是實(shí)心球或多孔物質(zhì)。實(shí)心如二氧化硅顆粒[10,19,20]、沸石和 NaCO[14]，會(huì)形成規(guī)則的球形孔；而多孔模板

圖 1-2 硬模板法制備多孔炭材料的示意圖[7]。1.2.3 活化法除模板法外，活化法通常用于引入大量微孔來增加材料的表面積。常用的活化劑堿、氯化鋅、磷酸、CO和水蒸汽[23,24]�；罨婕盎罨瘎┲胁牧系母邷靥幚恚�，活化劑
【學(xué)位授予單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM53

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本文編號(hào)：2629292