论文部分内容阅读
超级电容器作为一种新型的清洁能源储电装置,以其充放电速度快、安全性能高、使用寿命长等优点,在储电领域占据着重要的地位。碳材料因其稳定的化学性质、高的导电率和高比表面积等优点,一直是超级电容器电极材料的研究焦点。然而,碳材料也存在比电容较小、能量密度较低的缺点,且以天然材料制备的碳材料,原材料来源不稳定,可重现性低,而具备高性能的碳基材料（如碳纤维、碳纳米管）生产成本极高,过程复杂且后续处理难度大,这极大的限制了它们的广泛应用。为了得到结构稳定、可重现性高、原材料供应充足且可实现大量工业化生产的碳材料,本文选择以含碳量高的杂环有机配体为前驱体,通过高温碳化、碱活化、与金属离子配位、掺入杂原子等方法对材料的结构进行调控和优化,以制备高电化学性能的电极材料。具体研究工作如下:（1）以含有羧基的有机配体4-（2,4,6-tricarboxylphenyl）-2,2,6,2’-t erpyridine和含氮的2,6-bis（2-pyrazinyl）-4-（4-（tetrazol-5-yl）phenyl）pyri dine杂环类配体作为碳前驱体,在氮气氛下,经700℃高温碳化处理,得到掺氮碳材料A-700和Z-700。对得到的碳材料进行电化学测试分析,结果显示,A-700和Z-700都表现出良好的电化学性能,在0.5A/g至10 A/g的恒电流充放电测试中,A-700的比电容最大为234 F/g,Z-700的比电容最大值是255.3 F/g,且A-700的能量密度可达50.7 Wh/Kg,Z-700为53.6 Wh/Kg。在充放电循环测试中,在10 A/g下经3000次循环测试后,A-700的电容保持率仍然在96.5%,Z-700的电容保持率为89.16%,具备电极材料的良好潜质。（2）利用联三吡啶配体4-（2,4,6-tricarboxylphenyl）-2,2,6,2’-terpy ridine和含氮杂环有机配体2,6-bis（2-pyrazinyl）-4-（4-（tetrazol-5-yl）phe nyl）pyridine,分别与含有过渡金属Zn和Fe的盐类直接进行配位反应生成金属有机配合物,以KOH作为活化剂,将得到的配合物在氮气氛下,经高温碳化处理,得到相应的掺杂碳材料A/Zn-700和Z/Fe-700。测试显示,A/Zn-700中的低沸点Zn已经完全挥发,材料表现出丰富的多孔结构,且比表面积达到2347.9238 m~2/g,Z/Fe-700中Fe为电极材料带来的赝电容使其比容量极大的增加,0.5A/g的电流密度下,A/Zn-700的比电容为297.5 F/g,Z/Fe-700为300.4 F/g;A/Zn-700的能量密度最高为61.5 Wh/Kg,Z/Fe-700为60.0 Wh/Kg,都表现出优异的电化学性能。（3）为了得到电化学性能更加优异的碳材料,在金属有机配合物中引入杂原子（B、P、N）,以KOH为活化剂,经高温碳化,制备出高掺杂量的掺杂碳材料C/B-700和C/P-700。物理方法表征,C/B-700和C/P-700中的掺杂原子N、B、O和N、P、O均匀分布在材料中,均表现为多孔状结构,经测试C/B-700的比表面积高达2855.3901m~2/g。测试表明两种材料都具有极佳的电化学性能,在0.5 A/g的电流密度测试下,C/B-700表现出422.3 F/g的高比电容值和83.0 Wh/Kg的高能量密度值。C/P-700比电容为363.2 F/g,且具有良好的倍率性能（10 A/g时的电容保留率为60.5%）,和73.9 Wh/Kg的能量密度值,在10 A/g的工作电流密度下表现出高的电化学稳定性,在10000圈的充放电循环测试后,C/B-700的电容可保持在88.9%,C/P-700的电容保持在91.7%,这表明材料具有极大的实际应用价值。