分级多孔炭的制备及其电化学储能性能研究

作     者：徐建康 

作者单位：天津工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马昌

授予年度：2018年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：分级多孔炭 超级电容器 模板炭化法 N掺杂多孔炭 

摘      要：炭材料具有低成本、孔分布可调、导电性好、形态结构丰富、化学性质稳定优异等特点,广泛应用于双电层电容器电极材料。微孔提供的比表面积大,但比表面积利用率低,倍率性能差。介孔表面利用率高,但介孔炭本身比表面积不高。大孔提供表面积有限,但是可作为离子的存储区,缩短离子的扩散距离。设计和制备出具有微孔-中孔-大孔的分级孔炭可获得更加优异的电化学性能。本论文采用了三种简单的方法制备了分级孔炭,并对其电化学性能进行研究,现主要成果如下:(1)以柠檬酸铁为炭源和模板,KOH为活化剂,一步炭化/活化制备出分级多孔炭。当KOH与柠檬酸铁残碳的质量比为2:1时,比表面积和孔容达到最大,分别为2055 m2/g和2.527 cm3/g,中孔率高达95.1%。在三电极测试体系下,在电流密度为0.2 A/g,比电容达到289 F/g;当电流密度增加到20 A/g时,比电容为215 F/g,电容保持率为74.4%,展现出优异的倍率性能。(2)以乙酸钴为模板、柠檬酸为炭源,将二者混合后,采用快速升降温工艺,一步模板炭化法制备出分级多孔炭。所得多孔炭孔径分布窄,微孔集中在0.8 nm,中孔集中在4 nm,比表面积达753～890 m2/g。随着处理温度的提高,所得分级多孔炭的电容和倍率性能均不断提高。700 ℃处理所得多孔炭在0.2A/g电流密度下比电容达到144 F/g,在电流密度为5 A/g时,电容为102 F/g,电容保持率为71%,展现出较好的倍率性能。(3)以柠檬酸钾为炭源,以NH4Cl为氮源,将二者混合后,采用一步炭化法制得N掺杂分级多孔炭,其氮含量达3.73～6.18%。该富氮多孔炭显示多微孔-大孔特征,比表面积达453～632 m2/g,孔容为0.327～0.457 cm3/g。NH4Cl与柠檬酸钾质量比为1:2时,所得N掺杂多孔炭在三电极测试体系下显示良好的电化学性能。在电流密度为0.2 A/g时,比电容为202 F/g。电流密度增加到10 A/g时,比电容保留有121 F/g,保持率达60%。以上三种分级多孔炭制备过程简单,易于操作,所得多孔炭电化学性能优异,是一类很有发展前景的电极材料。