高性能超级电容器多孔碳基电极材料的制备及其性能研究

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能源危机和环境保护,目前已经成为全球最为关注的两大问题。现代工业的发展离不开对化石能源的依赖,但是化石能源的有限性限制着人类的长期发展,同时还会对环境造成严重的污染,所以加速了人们对新型能源及新型能源存储装置的需求。当代社会,超级电容器和电池已经成为使用最为普遍的储能设备。拥有良好的倍率性能,高功率密度和长循环寿命等优势的超级电容器,因此引起了更为广泛的关注。电极材料在很大程度上影响着超级电容器的性能,具有优异电化学性能的电极材料,成为当下设计开发的研究重心。经济易得、稳定性良好和多孔结构可控的碳材料是目前使用最为广泛的超级电容器电极材料,然而有限的比表面积和比电容限制了其进一步的发展。本论文以MOFs作为主要前驱体,通过不同的合成方法制备了一系列的氮掺杂多孔碳材料,并对其结构和电化学性能进行了研究。(1)以JUC160为前驱体,在700℃惰性气体气氛中预碳化4h之后,将预碳化得到的产物与化学活化试剂KOH固体以质量比1:3的比例混合并充分研磨,分别在600℃、700℃、800℃、900℃的温度下活化30min,制备了一系列多孔碳材料JUC160-T(T=600℃、700℃、800℃、900℃),并分析了不同温度下KOH活化对产物电化学性能的影响。结果表明,当活化温度为700℃时制备的多孔碳材料JUC160-700拥有最高的表面积(SBET=3253 m2 g-1)和优异的电化学性能。在电流密度为1.0 A g-1时,其比电容高达386 F g-1,当电流密度达到20 A g-1时,电容值仍能保留71.8%,表明该材料具有良好的倍率性能。此外,JUC160-700具有极高的循环寿命,在电流密度为10 A g-1时,即使循环10000次电容仍能保持99.9%。不难发现,JUC160衍生的碳材料在超级电容器电极材料的应用上具有巨大的潜力。(2)通过二次生长的方式,我们在三聚氰胺海绵的表面生长了一层JUC160晶体(MS@JUC160)。以MS@JUC160作为3D模板,将氧化石墨烯和KOH的混合液吸入其骨架中,使得氧化石墨烯片组装成一种三维结构。在惰性气体氛围中分别在700℃、800℃、900℃的高温下煅烧上述复合材料30min,制备了一系列氮掺杂多孔碳材料MJGK-T(T=700℃、800℃、900℃),并且应用电化学测试对材料的电化学性能进行了研究。电极材料MJGK-800(SBET=2202m2g-1)具有较高的电容和良好的稳定性,在电流密度为1 A g-1时,其电容值为225 F g-1,当电流密度增加到20 A g-1时,其电容值仍能达到182 F g-1。并且在高电流密度10 A g-1时,循环10000次电容依旧可以保持98.2%。这项研究为多孔MOF材料的进一步功能化提供了一种新的方法。
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