多孔碳基超级电容器电极材料的修饰及性能研究

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本文通过溶胶-凝胶法、水热碳化和化学活化等多种方法成功制备了有序介孔碳和分层级多孔碳材料,并利用不同的元素对所制备的多孔碳材料进行功能化修饰,从而提高其各项性能。通过SEM、TEM、XRD、拉曼光谱、N2吸/脱附等测试途径表征材料的微观形貌和孔道结构,采用XPS表征材料的元素含量和元素组成,使用电化学工作站测试材料的电化学性能,并对材料的合成机理以及功能化修饰的重要作用进行了详细的分析和总结。(1)以酚醛树脂作为碳源,无水乙醇和去离子水同时作为溶剂,二氰二胺和植酸分别作为氮源和磷源,在蒸发诱导自组装技术(EISA)的基础上,开发了一种创新的溶胶-凝胶法,在成功制备出高性能氮/磷共掺杂有序介孔碳材料的同时,简化了合成步骤,降低了材料的合成成本。所合成的样品拥有规整的孔道结构、高的比表面积和丰富的杂原子官能团。电化学测试表明,当添加的磷源与氮源质量比为1:3时,样品NP-OMC-3具有最优异的性能,在电流密度为1 A g-1时,比电容量为320 F g-1,即使在20 A g-1的大电流密度下,其比电容保留率仍超过70%,展现出优良的倍率性。此外,样品NP-OMC-3经过6000次充放电测试后,比电容仍保持在最初电容量的97.2%以上,具有出色的循环稳定性。优越的电化学性能使得该材料在超级电容器的电极材料领域具备极大的发展前景。(2)以壳聚糖同时作为碳源和氮源、磷酸作为磷源、硼酸同时作为硼源和扩孔剂,利用两步后处理法成功制备了氮/磷/硼三元共掺杂分层级多孔碳。材料呈现相互连通的三维多层级孔结构,孔道中同时包含一定比例的微孔和中孔。材料拥有极高的比表面积(2435 m2 g-1)和大的孔体积(1.97 cm3 g-1)。材料中含有丰富的杂原子官能团,N/P/B的协同作用大大提高了其电化学性能。其中,样品NPB-HPC-800在电流密度为1 A g-1时,比电容达到413 F g-1,当电流密度升高至20 A g-1时,其比电容仍高达298 F g-1,电容保持率超过70%,显示出卓越的倍率性能。经过6000次充放电测试后,仍可以保持95.6%的初始电容,表现出优异的化学稳定性。基于样品NPB-HPC-800组装的对称型超级电容器也显示出优异的电化学性能,在功率密度为225 W kg-1的条件下,其能量密度可达到18.75 W h kg-1,即使在9000 W kg-1的高功率密度下,其能量密度仍高达11 Wh kg-1。经过10000次充放电测试后,器件仍可以保持95.4%的初始电容,体现出优异的循环稳定性。(3)以壳聚糖为碳源,通过水热碳化和化学活化相结合的方式成功合成了具有超高比表面积和超高比电容的氮/磷共掺杂的分层级多孔碳材料。我们创新性地在水热过程中直接引入H3PO4,不仅促进了材料中丰富孔隙的形成而且实现了磷的原位掺杂。此外,我们采用NaNH2对材料进行活化,与传统的KOH和K2CO3等试剂相比,NaNH2在活化材料的同时可以作为掺氮剂,从而实现二次氮掺杂。所制备的样品具有独特的三维多层级孔道结构,高达3646 m2 g-1的超高的比表面积和9.81at%的超高的氮含量。得益于一系列优异的物化性质和氮/磷的协同效应,材料展现出卓越的电化学性能,样品NPC-700在电流密度为1 A g-1的条件下,比电容值可达到586 F g-1,即便在20 A g-1的高电流密度下,其比电容仍高达405 F g-1,展现出超高的倍率性。同时,样品NPC-700在经过10000次循环测试后,比电容仍保持在最初电容量的97%,循环后的库伦效率保持在100%,具有出色的循环稳定性和高的充放电效率。此外,基于样品NPC-700组装的对称型超级电容器在功率密度为450W kg-1的条件下,能量密度达到28.1 Wh kg-1,如此杰出的电化学性能使其成为超级电容器电极材料的有力竞争者。
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