超级电容器用有序介孔碳材料的制备及其性能优化

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超级电容器由于具有功率密度高、充放电迅速、循环稳定性好、价格低廉、环境友好等优势,受到了研究者们的广泛关注。对于超级电容器来说,电极材料是影响其性能好坏的关键因素。因此,研究高性能电极材料对超级电容器的发展与应用意义重大。目前,碳材料因比表面积大、化学性质稳定、导电性良好,作为电极材料在超级电容器中得到了广泛应用。有序介孔碳作为碳材料中的重要一员,其发达的孔隙结构以及均一的孔径分布,为电解液离子的快速传输提供了有利条件,是一类优秀的碳材料。本文以介孔分子筛KIT-6作模板,制备了三维立方有序介孔碳材料,并通过与金属氧化物MnO2复合和硼掺杂两种方式,对有序介孔碳材料进行性能优化,取得了一系列有意义的结果。本论文的主要研究工作如下:首先,以介孔分子筛KIT-6为模板,糠醇为碳源,通过纳米注入法制备三维立方有序介孔碳材料,并探讨了煅烧温度对所制备的三维立方有序介孔碳材料的微观结构和电化学性能的影响。结果表明,所制备的材料均具有较高的比表面积和均一的孔径分布。当碳化温度为600oC时,材料的有序度最好,且具有最优异的电化学性能。在扫描速率为1 mV s-1时的比电容为256.86 F g-1;在电流密度为1 A g-1下,其比电容为220.3 F g-1,在经过10000次循环后,比电容保持率高达90%。此外,当功率密度为1000 W kg-1时,OMC-600超级电容器的能量密度为6.96 Wh kg-1;当功率密度增加到5000 W kg-1时,OMC-600超级电容器的能量密度仍保持在6.53 Wh kg-1。然后,将600oC条件下煅烧的有序介孔碳CMK-8与不同浓度的高锰酸钾溶液反应制备MnO2/OMCs复合材料,并探讨了不同MnO2负载量对MnO2/OMCs复合电极材料结构和电化学性能的影响。研究结果表明,MnO2/OMCs复合材料继承了有序介孔碳CMK-8的有序介孔结构,且随着负载量的增加,复合材料的有序度降低。MnO2/OMC-0.04表现出最优异的电化学性能,在扫描速率为1 mV s-1时的比电容为576.10 F g-1;在电流密度为1 A g-1下,其比电容为554.8 F g-1。将其组装成超级电容器经过5000次恒电流充放电测试,其库仑效率几乎为100%。最后,为了进一步改善有序介孔碳材料的电化学性能,在合成三维立方有序介孔碳材料的基础上,引入杂原子硼,制备硼掺杂有序介孔碳材料,并进一步探讨不同硼掺杂量对材料的结构以及电化学性能的影响。结果发现:硼掺杂后材料的有序度基本能保持,且BOMCs具有较高的比表面积以及较集中的孔径分布。此外,通过硼掺杂可以有效的改善材料的电化学性能,当硼酸与糠醇的质量比为0.05时,所制备的硼掺杂有序介孔碳BOMC-0.05在扫描速率为5 mV s-1下的比电容高达267.8 F g-1。BOMC-0.05超级电容器首次放电比电容为69.8 F g-1,经过10000次连续的充放电测试后,比电容保持率在92%,显示了良好的循环稳定性。
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