有序中孔炭的结构调控及电化学性能研究

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随着社会文明的进步和科技的发展,对独立可移动高功率电源的需求量不断增长。超级电容器作为一种新型二次新能装置,具有高功率密度、长循环寿命、优良化学稳定性、绿色无污染等特点而备受关注。超级电容器的开发最关键的因素就是其电极材料。有序中孔炭材料具有高电导率、高比表面积、连通的孔道结构、集中的孔径分布和耐酸碱等特点,非常适合用作超级电容器的电极材料。但是目前中孔炭作电极材料的电容器能量密度较低,主要是由于中孔炭材料的比电容较低,材料比表面积利用率低,造成实际电容与理论电容相差很大,并且实际电极体系受多种限制,双电层电容可提高的空间也很小。  针对这个问题,我们希望通过以下方法进行改进。首先调控中孔炭材料的合成条件使其具有较高的比表面积、适宜的介观结构和孔径分布进而提高比电容。其次,通过对中孔炭材料进行掺杂改性,增加其表面官能团,不仅可以充分利用中孔炭材料的双电层电容,还可以利用表面官能团提供的法拉第赝电容,从而达到提高材料比电容的目的。  本文通过调控合成条件制备了具有不同介观结构的中孔炭,探讨了不同介观结构的中孔炭作为电容器电极材料的电化学性能。利用硼酸处理一步炭化活化中孔炭,分析了其孔径分布的变化及对材料电化学性能的影响,总结了孔结构对电化学性能的影响规律。此外,采用前驱体掺杂的方法,将硼、氮等元素引入中孔炭材料中,对含杂原子中孔炭的形成机理及结构演化进行了初步研究,考察了所制备的中孔炭材料的电化学性能,进行了结构与其电化学性能的相关性研究。论文的主要研究内容和结论如下:  1.以三嵌段共聚物为模板,酚醛树脂为炭前驱体,通过溶剂挥发诱导自组装合成了具有不同介观结构的有序中孔炭。通过调节前驱体与三嵌段共聚物的质量比,可以得到片层、二维六方和面心立方结构几种介观结构的中孔炭材料。对材料的电化学性能进行了测试,发现具有二维六方结构的中孔炭材料比电容最高,更适合用作超级电容器的电极材料。  2.通过常温硼酸浸渍树脂复合物炭化活化一步法所制备的中孔炭材料的比表面积及孔容比未处理的中孔炭明显增加,比表面积提高了49%。且随着炭化温度提高,材料在保持高度有序孔结构的前提下比表面积和孔容增加的趋势变大。且材料的中孔率也明显增大,最高可达72%。硼酸处理所得中孔炭比电容最高为131F/g,比未处理的中孔炭的比电容提高了58%。  3.成功制备了硼改性的酚醛树脂,以该树脂为炭前驱体,三嵌段共聚物为模板剂,通过挥发诱导自组装合成了二维六方介观结构的含硼有序中孔炭。用作超级电容器的电极材料时其面积比电容有所提高。  4.以硼、氮改性的酚醛树脂为炭前驱体,三嵌段共聚物为结构导向剂,TOES为无机前驱体,利用三元共组装方法合成了高比表面积,二维六方介观的含硼、氮有序中孔炭。在三元共组装过程中,硅氧化物提供一个刚性骨架支撑孔道,避免其坍塌。电化学测试表明含杂原子的中孔炭材料电化学性能有明显改善。阐明了杂原子对中孔炭的孔结构、表面化学性质的影响及其改善中孔炭电极电容性能的作用机理。此外B、N共掺杂中孔炭比单一B元素掺杂的中孔炭材料比电容更高,最高可达240F/g,证明了共掺杂的协同效应对电容有明显的积极作用。
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