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碳化物衍生碳(carbide-derived carbon,CDC)是一种通过选择性刻蚀掉无机碳化物上的非碳原子的手段获得的新型碳材料。CDC不仅具有孔隙发达、比表面积高的多孔碳材料的共性,还具有孔径分布单一且可调的特点。被认为是极具潜力的超级电容器电极材料。然而CDC作为电极材料存在电化学性能尤其是比电容值偏低的问题。掺杂被证明是一种提高碳材料比电容值的有效手段。迄今,许多研究者已就氧掺杂对碳材料电化学性能影响进行了研究。但多数采用的高温掺杂等技术,存在对碳材料结构影响较大的问题。同时,掺杂所引入含氧基团与电化学性能之间有何相关性目前也尚不清楚。因此,本论文采用液相氧化这一温和手段在CDC中引入氧,研究含氧基团类型对CDC电化学性能的影响。主要的研究工作和结果如下: (1)以800 ℃蚀刻温度下制备的碳化钛衍生碳(TiC-CDC)为原料,选择H2O2、HNO3和(NH4)2S2O8三种氧化剂分别对其进行液相氧化处理,以引入各种氧基团;并借助氢气退火对CDC表面含氧基团进行进一步调整。 结果表明:分别采用H2O2、HNO3和(NH4)2S2O8三种氧化剂液相氧化后得到的CDC-O、CDC-N和CDC-S表面均含有C-O、C=O和O-C=O三种含氧基团,但是三种含氧基团的比例与氧化剂类型密切相关。氢气退火不会改变上述含氧基团类型,但对其比例有明显影响。分析认为:C-O的存在对CDC电容的提高贡献有限,也不会引入赝电容;C=O能够明显提高CDC的比电容,但不会改变CDC的双电层特性;O-C=O的存在同样会引入赝电容,但会使CV曲线会严重变形,表现出赝电容特性,并且严重影响CDC在高扫速下的电容保持率,降低材料的功率特性。 (2)基于如上研究结果,进一步采用HNO3与HF混酸作为氧化剂对CDC进行液相氧化。通过混酸比例的研究,确定了可使CDC电化学性能获得最大程度提升的最佳比例。在此基础上,选择具有微中孔复合结构特征的纳米CDC作为混酸液相氧化对象,以进一步提升其电化学性能。 结果表明:混酸(HNO3和HF)液相氧化处理后,CDC的电化学性能均有不同程度的提升,但混酸比例对电化学性能的提升程度有重要影响。当HF比例较低(HNO3∶HF=2∶1)时,由于HF加入量较少,不能有效抑制O-C=O含氧基团形成,故电化学性能的提升程度较小;而当HF比例过高(HNO3∶HF=1∶2)又会导致HNO3的氧化性受到抑制,致使含氧基团的数量降低,因而也不能获得更好的电化学性能。当HNO3∶HF=1∶1时,即可保证有利于电化学性能提升的C-O与C=O基团的正常引入同时又能很好抑制O-C=O的形成,此时CDC展现出最优异的电化学性能。采用HNO3∶HF=1∶1混酸比例对具有微中孔复合孔隙结构的纳米级CDC进行液相氧化处理,比电容值获得了极大的提升,达到304 F g-1,并且在高扫速下的电容保持率提升到60%以上;同时其长循环稳定性也非常优异,达到96.5%。