【摘 要】
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随着能源危机的不断加剧,人类对清洁能源的研究也在不断深入,当前研发新型储能器件在科学工作中迫在眉睫。超级电容器的功率密度,使用寿命和温度范围是储能设备中的佼佼者,其研究和发展日益完善,具有光明的应用前景。然而在实际应用中,市场对超级电容器的使用要求在不断提升,故需加快其研究进程。电极材料对储能器件的性能有直接重大的影响,因此开发高性能电极材料对研究发展超级电容器至关重要。碳材料由其高比表面积、超强
【基金项目】
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山西省重大科技专项（MC2015-04）；
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随着能源危机的不断加剧,人类对清洁能源的研究也在不断深入,当前研发新型储能器件在科学工作中迫在眉睫。超级电容器的功率密度,使用寿命和温度范围是储能设备中的佼佼者,其研究和发展日益完善,具有光明的应用前景。然而在实际应用中,市场对超级电容器的使用要求在不断提升,故需加快其研究进程。电极材料对储能器件的性能有直接重大的影响,因此开发高性能电极材料对研究发展超级电容器至关重要。碳材料由其高比表面积、超强的导电性和化学稳定性等优点,作为电极材料时可以提供更多的离子传输和储存位点、超高功率密度和突出的循环稳定性。电极材料的表面性质和微观孔隙结构对其超级电容器的性能有重要影响,通过化学掺杂和改性的方式在碳骨架中引入不同的杂原子,能够降低材料内部阻力,提高导电性和表面活性,调整孔隙构造,改善碳材料电化学特性,获得性能卓越的电极材料。故本文的主要研究内容如下:（1）本文使用氧化石墨烯（GO）、硝酸钴（Co（NO3）2）、三聚氰胺（Melamine）为原料,利用钴对高温下热解碳源的催化作用,制备氮掺杂石墨烯/碳纳米管/无定形碳（NC）复合材料,并测试其电化学性能。探索了金属和碳/氮源的添加量对碳基复合材料结构和性能的影响。研究发现,在添加量分别为0.02 mmol和0.3 g时,制得的样品具有大比表面积(380.5 m~2g-1)和高掺氮百分含量（N 6.29 wt.%）,三电极的测试系统中电流密度0.5 A g-1时NC-M3-0.02的比电容为137.1 F g-1,5 A g-1时比电容为113.5 F g-1,长循环5000圈容量保持为104%,具有卓越的稳定性能,这归因于三维结构可以加快充放电过程中的离子转移以及氮掺杂可提高材料润湿性和贡献部分赝电容,为超级电容器电极材料的性能提升和制备提供了基础。（2）为了改善样品NC-M3的孔隙结构和表面化学性质,提高其电化学活性,通过HNO3、KOH、H2O2等不同化学试剂和方法对样品NC-M3-0.02进行活化,考察不同活化剂和方法对NC孔结构和表面的性质影响。研究表明,样品NC-M3-HNO3在电流密度0.5 A g-1时比电容为149.8 F g-1,5 A g-1时比电容为121 F g-1;样品NC-M3-KOH的比表面积和含氧官能团含量增多,孔径分布得到改善,提高了赝电容贡献率和电解液中粒子传输的速率,电流密度为0.5 A g-1时比电容为168 F g-1,5 A g-1时比电容为145.5 F g-1,长循环5000圈容量保持为115%;样品NC-M3-H2O2在电流密度为0.5 A g-1时,比电容为156.2 F g-1,且在5 A g-1时,比电容为121 F g-1,故活化后的碳材料表现出绝佳的电化学性能,具有作为电容器电极材料的巨大潜力。
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