论文部分内容阅读
超级电容器作为一种新型储能器件,具有功率密度高、循环寿命长、充电时间短、可靠性高和环保节能等优点,因此有望被广泛应用于消费电子品、内存备份系统和工业电力及能源管理系统等。碳材料具有非常丰富的结构和形态,如活性碳、介孔碳、碳纳米纤维、碳纳米管和石墨烯等,兼具理想电极材料所要求的多个特征,而且价格较为低廉。因此,碳材料已经成为最有工业化前景的电极材料。但是,目前常用的活性炭、模板碳、碳纳米管和石墨烯等碳材料存在这样或那样的不足。最近,我们课题组发展了制备碳纳米笼(CNCs)的新方法,制得CNCs具有高比表面、规则孔道结构和良好导电性等优点。其超级电容器性能显著优于活性炭及介孔碳材料,可与当前报道的性能最好的石墨烯相媲美。碳材料的表面官能团化和杂原子掺杂能有效改善其浸润性等,从而提高超级电容性能。因此,本论文围绕掺杂碳纳米笼的可控制备及其在水溶液中的超级电容性能开展了较为系统的研究工作,主要进展包括：(i)氮掺杂碳纳米笼的可控制备及其超级电容性能研究：以吡啶为前驱物、氧化镁为模板,可控制备出高比表面积(1692m2/g)和高氮含量(10at%)的NCNCs,将碳纳米笼由纯碳拓展到氮掺杂。通过控制合成温度,可以有效调控NCNCs的比表面积、孔分布和氮含量。将NCNCs作为超级电容器电极材料,在1M H2SO4和1MKOH溶液中表现出优良的性能,1A/g电流密度下,NCNC800的比电容分别可达301和367F/g,显著高于CNC800的218和210F/g。在1MH2SO4溶液、10和100A/g的电流密度下,NCNC800的比电容仍能保持249和117F／g,这可与石墨烯相媲美。我们的研究结果表明,氮的引入提高了碳纳米笼的浸润性,增加了离子在电极表面的有效面积,从而提高比电容。(ii)硼氮共掺杂碳纳米笼的可控制备及其超级电容性能研究：以DMAB的吡啶溶液为前驱物、氧化镁为模板,可控地制备出高比表面积(1319m2/g)和高硼氮含量(B:4.5at%,N:11at%)的BNCNCs。控制合成温度和前驱物浓度,可以有效调控BNCNCs的比表面积、孔分布、硼和氮含量。将BNCNCs作为超级电容器电极材料,在1M H2SO4和1M KOH溶液中表现出优良的性能：1A/g电流密度下,BNCNC700-1的比电容分别可达369和351F/g；高电流密度下,BNCNC700-1也保持了较高的比电容,例如,1M KOH溶液、10和100A/g的电流密度下的比电容分别为217和143F/g,显著优于CNC700和NCNC700。这可归因于硼和氮的引入进一步提高了碳纳米笼的浸润性,增加了离子在电极表面的有效面积,从而提高了比电容。