多孔炭材料的可控制备及其电化学性能研究

多孔炭材料的可控制备及其电化学性能研究超级电容器具有较高的功率密度、优异的倍率性能、快速充/放电特性、超长的循环寿命以及原理简单、维护费用低等优点,因此在世界范围内引起了科研工作者的广泛关注。炭材料具有较高的比表面积及良好的导电性被广泛应用于超级电容器的电极材料。研究表明,炭材料的电化学性能与其比表面积、孔结构和表面化学性质密切相关。本论文采用不同的模板制备了具有不同形貌和孔结构的多孔炭材料,并采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射、拉曼光谱、X射线光电子能谱等技术对多孔炭材料的微观结构和表面性质进行表征,采用循环伏安法、恒流充放电法及交流阻抗法详细研究了电极材料的电化学性能。以中孔SiO₂为模板,以沥青为碳源经过高温碳化制备了中孔炭材料（MCSF）。结果表明,制备的MCSF具有较高的比表面积（582m2·g-1）。当扫描速度为5mV·s-1时,MCSF电极比容量最高可达264F·g-1;当扫描速度增大至1000mV·s-1时其比容量为194F·g-1,保持率为74%,表明该电极材料具有优异的倍率特性。连续循环5000次后其比容量仅衰减了9%,说明MCSF具有优异的电化学稳定性。组装的对称电容器能量密度可达9.6Wh·kg-1,其最大功率密度可达119.4kW·kg-1。以CNTs/MnO₂为模板,以C₂H₂为碳源,采用化学气相沉积法制备了CNT-HCS。研究结果表明,CNT-HCS的比表面积可达500.6m2·g-1。当电流密度为0.5A·g-1时,其比容量可达201.5F·g-1。另外,CNT-HCS电极具有优异的倍率特性,当电流密度升高到20A·g-1时,比容量仍能保持69%。组装的对称电容器能量密度最高可达11.3Wh·kg-1。分别以花瓣状ZnO、沥青、KOH为模板、碳源和活化剂,采用高温碳化、活化的方法制备了具有花瓣状结构的分层次多孔炭材料（FHPC）。当扫描速度为2mV·s-1时FHPC电极的比容量可达294F·g-1。当扫描速度为500mV·s-1时,比容量仍能保持71%,说明FHPC电极具有优异的电化学性能。组装的FHPC//FHPC对称电容器在1mol·L-1Na₂SO₄溶液中能量密度可达15.9Wh·kg-1。由于其优异的倍率特性,对称电容器的功率密度可达222kW·kg-1。采用Mg（OH）2为模板在低温下制备了富含含氧官能团的石墨烯FGN-300。系统研究了热处理温度对材料表面化学性质及电化学性能的影响。研究结果表明,当热处理温度为300℃时材料具有优异的电化学性能。FGN-300不仅具有较高的质量比容量而且具有很高的体积比容量,在6mol·L-1KOH溶液中其积比容量可达470F·cm-3。另外,组装的对称电容器在水性电解液中具有超高的体积能量密度（27.2Wh·L-1）和较高的循环稳定性,循环10000次后,其比容量是初始容量的134%。优异的电化学性能主要归因于其较高的有效比表面积、较低的孔体积以及稳定的含氧官能团。因此,FGN-300有望满足对紧凑型便携式能量存储装置的需求。以石墨烯/中孔SiO₂为模板,采用原位聚合法制备了石墨烯/中孔聚苯胺复合材料（G-mPANI）。研究发现,制备的G-mPANI呈现较薄的片层结构,表面上包覆的PANI具有相互连接的网络结构,并且G-mPANI中存在大量中孔结构。结果表明,G-mPANI具有较高的比容量、优异的倍率特性和循环稳定性,当电流密度为0.5A·g-1时其比容量可达749F·g-1。优异的电化学性能主要归因于其独特的结构特点。此外,采用高温碳化的方法制备了氮掺杂多孔石墨烯（NPCG）。探讨了不同碳化温度对材料结构、表面化学性质及电化学性能的影响。结果表明当碳化温度为700℃时制备的炭材料（NPCG-700）具有较高的比表面积,呈现相互连接的多孔结构,而且氮含量较高。NPCG-700电极在2mV·s-1时质量比容量可达305