介孔碳与介孔金属氧化物的结构调控及超电容性能研究

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超级电容器作为一种新型绿色储能装置,由于具有能量密度高、功率密度大、循环寿命长等优点,在汽车、通讯、国防等诸多领域有广泛的应用前景,日益受到国内外研究人员的关注。有序介孔碳和介孔金属氧化物具有有序的孔道结构、均一的孔径分布、高的比表面积和大的孔体积,是超级电容器的理想电极材料。制备不同孔道结构的介孔碳和介孔金属氧化物,进一步研究孔道结构对超电容性能的影响,对其在超级电容器电极材料中的应用具有重要意义。本文首先以三嵌段共聚物P123为表面活性剂、正硅酸乙酯或硅酸钠为硅源,制备出了具有有序孔道结构的介孔二氧化硅SBA-15、MSU-H和KIT-6。以二维六方结构的MSU-H和三维立方结构的KIT-6为硬模板、蔗糖为碳源,进一步合成了有序介孔碳OMC-M和OMC-K。在蔗糖中添加硼酸,通过控制硼酸的添加量,获得了在4~10 nm范围内孔径可调的有序介孔碳。对所得有序介孔碳进行循环伏安、恒流充放电和交流阻抗等电化学测试,其结果表明,在5 mV/s扫描速率下,对于两种不同结构的OMC-M和OMC-K,OMC-M-6和OMC-K-4的比电容分别达到最大值203.8和190.4 F/g。当扫描速率从5 mV/s变化到100 mV/s时,有序介孔碳的电容保持率高达81~86 %。在4~8 nm范围内,有序介孔碳的比表面电容随孔径的增大而增大,在5 mV/s扫描速率下,OMC-M-2达到最大值27.5μF/cm2。以二维六方结构的SBA-15为硬模板、金属硝酸盐为前驱体,获得了介孔结构的NiO和NiO/Co3O4复合物,并研究了添加柠檬酸对产物结构的影响。结果表明添加柠檬酸后,NiO和NiO/Co3O4复合物的比表面积由123.8和115.8 m2/g分别提高到了238.4和170.8 m2/g。电化学测试结果表明,在0.1 A/g电流密度下,添加柠檬酸后的NiO-CA和NiO/Co3O4-CA的比电容分别达到220.1和625.8 F/g,分别是未添加柠檬酸时的1.7和2.7倍。
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