多孔炭超级电容器电极材料的表面改性和电化学性能研究

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以间苯二酚和糠醛为原料,采用溶胶-凝胶结合真空冷冻干燥的方法制备碳冻干胶前驱体,将前驱体在不同的温度下进行高温分解,得到多孔炭样品。所得样品都呈现出三维互连交叠的多孔形貌。随分解温度的升高和反应的时间延长,所得样品的比表面积减小,电导率和润湿性显著改善。在900℃反应3 h所得多孔炭样品C900-3有最高电导率和最小接触角,分别为443.9 S·mm-1和37°,其比表面积为539 m2·g-1。采用循环伏安(CV)法、恒电流充放电(GC)法和交流阻抗谱(EIS)测试样品的电化学性能。结果表明,C900-3电极有较高的比电容和倍率性能,在电流密度为0.5 Ag-1时,比电容达53 Fg-1。当电流密度增大十倍到5 A g-1时,比电容保持率为~44%。采用溶剂交换法,以六次甲基四胺(HTMA)为N源修饰碳冻干胶前驱体,前驱体经高温分解后制备N修饰多孔炭。掺杂前后的样品都具有石墨结构,并呈现出三维互连交叠的多孔形貌。由XPS分析可知,N原子是以石墨N和吡啶N的形式结合到多孔炭的骨架中,导致N修饰后所得多孔炭样品的电导率和润湿性显著提高。用10%HTMA修饰的碳冻干胶前驱体在700 ℃保温1 h分解得到的CN700-10样品具有1529.1 S mm-1的最高电导率,是未掺杂多孔炭样品的3倍多。采用CV、GC和EIS对所得多孔炭样品的电化学性能进行测试。结果表明,CN700-10电极有较高的比电容,在0.05 A·g-1的电流密度下,达到80.4 F·g-1,比未掺杂多孔炭电极提升了~52%。CN700-10电极也表现出优秀的循环稳定性,在0.5 A·g-1电流密度下,充放电循环500圈后的比电容比起始比电容增加了~40%。采用溶剂交换法,以硫脲作为N源和S源修饰碳冻干胶前驱体,前驱体经高温分解后制备N、S修饰多孔炭。掺杂前后的样品都具有石墨结构,并呈现出三维互连交叠的多孔形貌。由XPS分析可知,N原子是以石墨N和吡啶N的形式、S原子是以噻吩S和硫砜的形式结合进多孔炭的骨架中,当多孔炭中N和S的含量分别为2.29和0.34wt%时,所得CNS700-15样品有最高的电导率,为3853.6 Smm-1,是未掺杂和N修饰多孔炭样品的8倍和2倍多。采用CV、GC和EIS对所得多孔炭样品的电化学性能进行测试。结果表明,CNS700-15电极有较高的比电容,在0.05 A·g-1的电流密度下,为82.8 F·g-1,分别比未掺杂多孔炭和N修饰多孔炭电极提升了~56%和~3%。CNS700-15电极也表现出优秀的循环稳定性,在0.5 A·g-1电流密度下,充放电循环500圈后的比电容比起始比电容增加了~9%。
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