【摘 要】
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碳材料作为超级电容器电极材料,因为其具有相对丰富的原材料,经济可行性,可调节的表面化学,易于加工,大的比表面积,高的化学稳定性,快速的传递动力学和较宽的工作温度范围等优点,受到研究人员的广泛关注。虽然大多数碳材料都具有比较高的比表面积,但是它们的电导率常常会随着孔隙率和比表面积的增加而降低,这极大地限制了比容量。如何对碳材料进行合理的孔隙结构设计和表面掺杂改性,是研究的重点难题。本论文主要围绕提高
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碳材料作为超级电容器电极材料,因为其具有相对丰富的原材料,经济可行性,可调节的表面化学,易于加工,大的比表面积,高的化学稳定性,快速的传递动力学和较宽的工作温度范围等优点,受到研究人员的广泛关注。虽然大多数碳材料都具有比较高的比表面积,但是它们的电导率常常会随着孔隙率和比表面积的增加而降低,这极大地限制了比容量。如何对碳材料进行合理的孔隙结构设计和表面掺杂改性,是研究的重点难题。本论文主要围绕提高碳材料电化学性能的目的,选择有机配体作为碳源,通过将其与低沸点锌盐配位和碱活化的方法对其进行造孔和刻蚀,杂原子(B、P、N)掺杂/共掺杂对其进行表面掺杂改性,以获得电化学性能优异的碳材料。重点研究获得的多种碳材料在超级电容器电化学性能方面的应用,并采用SEM、TEM、XRD、Raman、XPS、BET等测试手段对碳材料结构、形貌和组成元素等物理性能进行研究。取得的研究结果如下:(1)选择2-(4-hydroxybenzene)imidazo[4,5-f]-[1,10]phenanthro-line(命名为CO)为碳源,探究碳化温度、不同比例P原子或B原子掺杂以及锌盐造孔和KOH活化对碳材料电化学性能的影响。确定最佳碳化温度为700℃,磷酸二氢钾与配体CO的摩尔比为1:1的碳材料P1-COPCN-700电化学性能最佳。基于P1-COPCN-700的对称超级电容器,在0.5 A/g的电流密度下,单个电极比电容达到280.5 F/g,整个器件的比电容为70.1 F/g,能量密度为14.0 Wh/Kg,功率密度为300.0 W/Kg。(2)选用4’-(4-phosphonylphenyl)-3,2’:6’,3”-terpyridine(命名为CP)为碳源,探究碳化温度、不同比例B、P或N原子掺杂以及锌盐造孔和KOH活化对碳材料电化学性能的影响。确定最佳碳化温度同样为700℃,硼酸与配体CP的摩尔比为5:1时的碳材料B5-CPPCN-700电化学性能最佳。对于三电极体系,在电流密度为0.5 A/g时,B5-CPPCN-700的比电容达到503.3 F/g。基于B5-CPPCN-700的对称超级电容器,在0.5 A/g的电流密度下,单个电极比电容达到299.7F/g,整个器件的比电容为74.9 F/g,能量密度为15.0 Wh/Kg,功率密度为300.0 W/Kg。(3)选用2,6-bis(2-pyrazinyl)-4-(4-cyanophenyl)pyridine(命名为CN)为碳源,分别探究不同比例B、P或N原子掺杂以及锌盐造孔和KOH活化对碳材料电化学性能的影响。对比硼酸、磷酸二氢钾和烟酸,对于配体CN,B原子的掺杂可以更大程度上提高其电化学性能,其中以硼酸与配体CN摩尔比为1:2时的B0.5-CNPCN-700的比电容更大。三电极体系下,电流密度为0.5 A/g时,B0.5-CNPCN-700、CNPCN-700、CN-700的比电容分别为421.7 F/g、307.5 F/g、210.2 F/g。
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