葡萄糖水热碳化制备多孔碳电极材料及改性研究

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本文主要详细介绍了超级电容器电极材料的研究进展,并对影响电极材料的因素进行分析。据此,本课题以来源广泛、绿色无污染的葡萄糖为前驱体,通过模板、活化的方法从根本上来改善碳材料的孔隙率和孔径结构,并通过引入少量具有赝电容的性能的元素来大幅提高多孔碳电极材料的比电容,主要的研究内容如下:(1)以葡萄糖为前驱体,通过水热反应形成碳微球,采用KOH活化的方法,活化温度是800℃,活化时间为2 h,系统的研究了不同的KOH比例对多孔碳材料孔径结构、比表面积以及电化学性能的影响。KOH活化在高温情况下可以进行消碳反应和脱水反应,可以在水热碳球上开拓孔径,改善了多孔碳材料表面的浸润性,提高其比表面积利用率,显示优异的超级电容性能。研究结果表明当KOH和水热碳球的质量比为1:3(标记为AC-3)时,多孔碳具有较高的比容量(207 F/g)、在进行1000圈的循环测试,仍然保持96.7%的容量,具有优异的循环性能,10A/g的电流密度下,具有77.8%的容量保持率,说明具有良好的倍率性能,另外,合适的KOH活化比例使得多孔碳材料具有非常合适的孔径(3.64 nm)、较高的比表面积(1563 m2/g)。并以AC-3为正极制备了简易电容器,进行灯泡发亮实验。(2)以葡萄糖为前驱体,以NiCl2·6H2O为模板来改善多孔碳材料的孔隙率以及孔径分布,根据实验一选择合适的活化条件(温度为800oC和时间为2h,KOH的活化比例为3),经过水热碳化、去除模板以及活化制备了多孔碳,系统的研究了不同的NiCl2·6H2O的比例对碳材料结构及其电化学性能的影响。研究结果表明当氯化镍和葡萄糖的质量比为1:3(标记为AC-Ni Cl2-3),具有极高的比容量(350 F/g)、在进行1000圈的循环测试,仍保持93%的容量具有良好的循环性能,在10A/g的电流密度下的容量是0.5A/g的78%,说明具有良好的倍率性能。(3)以葡萄糖为前驱体,引入少量石墨烯来提高多孔碳材料的导电性能,并掺杂尿素来引入含氮的官能团,从而提高多孔碳材料的表面浸润性,提高材料的表面利用率。结果表明,制备的氮掺杂分级多孔碳材料(AC-GO-N),有更良好的导电性(XRD谱图看出),从而提高离子运输速率,提高多孔碳电极材料的比电容(320 F/g)。(4)以葡萄糖为前驱体,采用实验一制备的AC-3多孔碳,在其多孔碳上采用水热反应的方法制备AC-3@Mn3O4复合材料,利用多孔碳的孔径结构有利于离子的快速运输,从而提高了氧化还原反应速率,进一步提高电极材料的比电容。观察XRD谱图,可以发现已成功沉积了Mn3O4。通过电化学测试发现比电容由原来的207F/g增到为442F/g,进行了1000圈循环后,比电容保持率为90.3%,说明此种方法成功的结合赝电容高的比电容和双电层良好的循环性能,从而提高电极材料的可用性和使用前景。
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