论文部分内容阅读
随着现代社会的快速发展，对清洁能源的需求越来越迫切。而超级电容器，在所有储能装置中，是最具吸引力的装置之一。本论文面向常用的超级电容器多孔碳电极材料。针对其电化学活性位点有限和孔通道利用率较低的缺点，通过硬模板或软模板法制备分级多孔碳，来改进多孔碳的性质。与此同时引入杂原子，例如氮和硼，显著增强碳电极的电化学性能。主要研究内容及成果如下: (1)通过碳化六边形有序介孔酚醛树脂与作为氮源的三聚氰胺，合成具有高氮含量（11.64 wt.％）和六边形介孔结构的氮掺杂有序介孔酚醛树脂基碳(N-OMC)。详细研究了氮掺杂对结构和孔隙率以及氮的掺杂组分的影响。与没有氮掺杂的六边形有序介孔酚醛树脂基碳(OMC)相比，N-OMC在1M H2SO4中显示出了优异的电容性能。在0.1 Ag-1的电流密度下，N-OMC的比电容高达216 F g-1，远高于(127 F g-1)，这主要归因于双电层电容和赝电容的共同贡献。此外，N-OMC显示良好的倍率性能（在20Ag-1的高电流密度下仍保持114F g-1）和优异的循环稳定性（在10000次循环后没有电容损失）。N-OMC的良好电化学性能归因于氮掺杂和有序介孔结构，有望成为优秀的超级电容器的电极材料。 (2)研究制备了一系列氮掺杂分级多孔碳(N-HPCs)。分级多孔碳(HPC)是在上述OMC的制备过程中，加入纳米SiO2硬模板并移除模板得到的。N-HPCs是采用三聚氰胺为氮源，通过碳化HPC得到的。氮掺杂取得了良好的电化学性能，表现为N-HPC-5(234 F g-1)，N-HPC-15(238 F g-1)，N-HPC-25(214 F g-1)，并给出了值得参考的三聚氰胺与酚醛树脂碳的比例，为后续硼和氮共掺杂作参考。 (3)研究制备了一种硼和氮共掺杂分级多孔碳(BN-HPC)。它含有高的硼含量(3.97％)和氮含量(12.10％)。BN-HPC是分别采用三聚氰胺和硼酸作为含量和硼源，通过模板法和碳化分级多孔树脂制备得到的。硼氮共掺杂的方法提高了硼掺杂的程度，是单纯硼掺杂样品的8倍。这对增加硼的掺杂效率方面是很有实际意义。得益于分级孔和杂原子掺杂的协同效应，BN-HPC的电化学容量改善显著，在0.1 Ag-1的电流密度下达到304 F g-1。同时，倍率性能良好（在10A g-1的电流密度下，仍有189 F g-1）。本合成方法简单，也非常有效。