【摘 要】
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本文首先采用离子型水性聚氨酯和非离子型水性聚氨酯乳液分别和氧化石墨烯分散液均匀混合,得到两种水性聚氨酯（WPU）/氧化石墨烯（GO）的混合体系,然后向体系中依次加入硼酸和三氯化铁,均匀混合并烘干后,得到碳前驱体。随后,两种体系的碳前驱体采用一步碳化法在氮气氛围中800℃高温碳化,洗涤烘干,制备出离子型水性聚氨酯/氧化石墨烯基碳电极材料和非离子型水性聚氨酯/氧化石墨烯基碳电极材料,并对材料进行了表征
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（No.21372067）；
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本文首先采用离子型水性聚氨酯和非离子型水性聚氨酯乳液分别和氧化石墨烯分散液均匀混合,得到两种水性聚氨酯（WPU）/氧化石墨烯（GO）的混合体系,然后向体系中依次加入硼酸和三氯化铁,均匀混合并烘干后,得到碳前驱体。随后,两种体系的碳前驱体采用一步碳化法在氮气氛围中800℃高温碳化,洗涤烘干,制备出离子型水性聚氨酯/氧化石墨烯基碳电极材料和非离子型水性聚氨酯/氧化石墨烯基碳电极材料,并对材料进行了表征测试和性能测试。其中,研究主要使用了扫描电子显微镜（SEM）,透射电子显微镜（TEM）,X射线衍射测试（XRD）,拉曼光谱（Roman）,傅立叶红外光谱测试（FT-IR）,X射线光电子能谱测试（XPS）以及氮气吸附/脱附等测试手段表征了材料的微观结构、形貌;并使用了循环伏安（CV）,恒流充放电（GCD）以及交流阻抗（EIS）等仪器设备在三电极体系中测试了碳电极材料的电学性能。同时,将得到的碳电极材料组装成对称型超级电容器,在两电极体系中进行恒流充放电测试,完成了器件的电化学性能测试。实验结果表明,水性聚氨酯作为富氮碳源经过高温碳化后,成功地向碳材料中引入了异原子N和O。三氯化铁作为催化剂具有石墨化催化的作用,使用三氯化铁处理后的碳材料,能够有效阻碍惰性B-N键生成,提高材料的赝电容行为。硼酸不仅为碳材料提供了异原子B,而且能够改善材料的孔结构。对于离子型水性聚氨酯/氧化石墨烯基碳电极材料的最优样品,WPU-GO-Fe-B的比电容增加（330 F g-1,电流密度为0.5 A g-1）、比表面积提高（152.59 m2 g-1）。此外,WPU-GO-Fe-B具有良好的倍率性能和循环稳定性（循环2500次的电容保持率约为94.7%）。该材料制备的WPU-GO-Fe-B//WPU-GO-Fe-B对称型超级电容器同样表现出不错的超级电容器中比电容（57 F g-1,电流密度为1 A g-1）、较高的能量密度（7.9 Wh kg-1,505 W kg-1）和循环稳定性（循环5000次的电容保持率约为89.9%）。此外,氯化锌作为活化剂,能够有效提高材料的比表面积,丰富孔结构。氯化锌活化处理的非离子型水性聚氨酯/氧化石墨烯基碳前驱体,高温碳化之后能够制备出高比电容的、比表面积大的、B/N共掺杂的多孔碳材料。对于非离子型水性聚氨酯/氧化石墨烯基碳电极材料的最优样品,n WPU-GO-B-Fe-Zn的比电容增加（305 F g-1,电流密度为0.5 A g-1）、比表面积提高（1111.97 m2 g-1）。此外,n WPU-GO-B-Fe-Zn具有良好的倍率性能和循环稳定性（循环2500次的电容保持率约为96.4%）。该材料制备的n WPU-GO-B-Fe-Zn//n WPU-GO-B-Fe-Zn对称型超级电容器同样表现出不错的超级电容器中比电容（62 F g-1,电流密度为1 A g-1）、较高的能量密度（8.6 Wh kg-1,500W kg-1）和循环稳定性（循环5000次的电容保持率约为89.2%）。
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