bra多孔碳材料在超级电容器中的应用

bra多孔碳材料在超级电容器中的应用

由于绝缘电阻的比容量取决于电极材料的类型，碳基材料具有高水平的比容量和功率密度。这是理想的电极材料。提高比表面积、优化孔径和表面处理等途径，可提升碳基材料的比电容，改善与电解质的润湿性碳材料电极的孔隙结构对电解质与电极材料的可及性、离子的传输和导电性等都有重要影响目前，BRA多孔碳材料用在超级电容器电极材料的报道很少，具有广阔的发展空间。本文作者通过化学合成、纳米浇注和碳化等简单方法，制备BRA基氮、硫共掺杂多孔碳材料，并研究其作为超级电容器材料的性能。1实验1.1正丁醇、正硅酸四乙酯的合成在室温下，将3.75g聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物P123(Sigma公司，AR)与145ml1mol/LHCl(国药集团，GR)于三口烧瓶中混合均匀;再加入3.75g正丁醇(天津产，AR)、8.1g正硅酸四乙酯(国药集团，AR)，磁力搅拌24h。将上述溶液倒入水热釜中，置于130℃鼓风烘箱中反应24h。反应产物经多次过滤、去离子水洗涤后，于110℃鼓风烘箱中干燥6h，所得白色粉末置于通有空气的管式炉中，以1.5℃/min的速率升温至550℃，焙烧6h，即得到KIT-6模板。1.2bra的预处理将12.3gBRA粉(印度尼西亚产，工业级)倒入100mlN-甲基吡咯烷酮(天津产，AR)中，机械搅拌4d后过滤，得到浓度为3.0%BRA溶液。将BRA溶液分6次浇注到KIT-6中，m(BRA)∶m(KIT-6)=1∶10，每次浇注完毕，都在130℃下真空(真空度为-0.1MPa，下同)干燥4h。将上述产物放入管式炉内，在空气气氛下，于270℃保温2h，完成预氧化;再在氮气气氛下，以10℃/min的速率升温至所需碳化温度，并保温2h;最后用5%HF溶液(天津产)除去SiO1.3材料结构表征分别采用JSM-6700F型扫描电子显微镜(日本产)和TF20型透射电子显微镜(日本产)分析样品的形貌和微观结构;TENSOR27型傅里叶红外光谱(FTIR)仪(德国产)测试材料分子结构;Miniflex600型X射线衍射仪(日本产)对材料的成分和晶体结构进行分析;AutosorbiQ型比表面积及物理吸附分析仪(美国产)测定材料比表面积和孔径分布以及ES-CALAB250XI型X射线光电子能谱(XPS)仪(美国产)测定多孔碳材料的元素种类和相对含量。1.4电化学性能测试将多孔碳材料、乙炔黑和聚四氟乙烯(PTFE)乳液按质量比8∶1∶1混匀成浆料，加入10倍混合物质量的乙醇(天津产，AR)，超声波处理30min，再涂覆到泡沫镍(昆山产，110PPI)上，用压力机压制，在100℃下真空干燥12h。三电极体系以Hg/HgO电极为参比电极，铂电极为辅助电极，压制的电极片为工作电极;二电极由两片质量相近的电极片组成。用CHI660A电化学工作站(上海产)进行电化学性能测试，电解液为6mol/LKOH(天津产，AR)。三电极体系循环伏安(CV)和恒流充放电(GCD)测试的电压为-1.0～0V。CV测试的扫描速率为5～200mV/s,GCD测试的电流为2.0～10.0A/g。二电极体系在0～1V进行CV和GCD测试，CV测试的扫描速率为5～200mV/s,GCD测试的电流为0.5～5.0A/g。2结果与讨论2.1结构的表征和红外光谱图1为制备的CPCs的SEM图和CPC-800的TEM图。从图1可知，CPC-700结构较为致密，表面孔洞较小;CPC-800颗粒结构疏松，颗粒之间的间隙明显，表面孔洞CPC-700大;CPC-900有明显的向片层状变形的趋势。这是由于高温碳化所致。从CPC-800的TEM图(图1d)可见，CPC-800在整个区域内呈现出大范围高度有序的微观结构，进一步证实了CPC-800是介孔KIT-6(Ia3d对称)的逆复制品。图2为制备的CPCs的XRD图。从图2可知，3种CPCs样品均在25°和43°处有两个峰，分别对应于(002)和(100)晶面，表明CPCs具有部分石墨化结构和无定形碳。制备的CPCs的红外光谱见图3。图3中，位于1060～1630cm制备的CPCs的N图4(a)所示，所有样品的吸-脱附等温线均为Ⅳ型，具有明显的毛细凝聚效应。根据国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)分类，该材料具有高质量介孔结构特征从表1可知，样品的比表面积(S制备的CPCs的XPS见图5。从图5可知，3种材料均存在C图6为CPC-800的C制备的CPCs的元素含量见表2。从表2可知，CPCs样品中S含量约为1%;氮的含量随着碳化温度的升高而降低，但均高于5.57%，进一步说明BRA的高含氮量，将有利于提高电极材料的电化学性能2.2电气表性能分析2.2.1恒流充放电特性制备的CPCs的CV曲线见图7。从图7(a)可知，CPC-800具有最大的回路面积，并且在-0.5V处有一个因N官能团的赝电容产生的小峰。从图7(b)可知，随着扫描速率的增加，CPC-800的CV曲线形状变化不明显，说明制备的电极具有良好的电荷转移特性。制备的CPCs在2.0A/g电流下的恒流充放电曲线和倍率性能见图8。从图8(a)可知，CPC-800的充放电时间最长，比电容最大，为211F/g，原因是CPC-800拥有合适的孔隙率和电导率，可加快电荷的传输。从图8(b)可知，随着电流的增大，比电容略有减小。当电流为10A/g时，CPC-800的比电容仍有165F/g，说明CPC-800电极具有良好的倍率性能。2.2.2恒流充放电gcd测试为进一步研究CPCs电极材料的实际应用价值，测试了CPCs对称电容器的电化学性能。二电极体系中制备的CPCs的CV曲线见图9。从图9(a)可知，CPC-800的回路面积最大，说明比电容最大。从图9(b)可知，CPC-800的CV曲线均为类似矩形，说明具有理想的双电层电容特性。随着扫描速率增加，CPC-800的CV曲线的形状几乎不变，说明具有良好的倍率性能。二电极体系中制备的CPCs在1.0A/g电流下的恒流充放电(GCD)曲线和倍率性能见图10。从图10(a)可知，CPC-800的充放电时间最长。从图10(b)中可知，当电流为0.5A/g时，CPC-800的比电容为137.6F/g;当电流增加到5A/g时，比电容为110F/g，电容保持率为80%，说明CPC-800具有良好的倍率性能。这是由于较高碳化温度下材料的孔隙结构更发达，使电解液离子的传输更方便。制备的CPCs的Ragone图和交流阻抗谱见图11。从图11(a)可知，当对称电容器的比功率为1000W/kg时，CPC-800的比能量可达19.11Wh/kg，比功率达到10kW/kg，比能量仍保持在15.28Wh/kg。CPC-800的比能量高于文献报道的CPCs电极材料交流阻抗谱是用来检测超级电容器电化学性能的常用方法。如图11(b)所示，CPC-800在高频区域呈现的半圆形最小，高频区域内与实轴的截距最小，也就是其法拉第电荷转移电阻(R3多孔材料的电