多孔碳材料的熔盐法制备、结构调控及电容性能研究.doc

多孔碳材料的熔盐法制备、结构调控及电容性能研究作为一种绿色储能器件,超级电容器具有大的功率密度、好的循环稳定性以及高的安全性等优势,但目前的瓶颈问题是能量密度较低。为了提高超级电容器的能量密度,设计合成高性能的电极材料具有重要的意义。碳材料作为基础电极材料,就其理想结构而言,二维片状结构能够缩短电解液离子的传输距离,同时有利于电子的快速传递;分级孔结构能协同发挥作用,介孔可以为电解液离子提供更畅通的传输通道、提高离子传输速率,微孔则可以为电极材料提供更多的活性位点。但具有分级孔结构的二维片状碳材料的制备目前缺乏绿色高效的手段,其制备过程通常要涉及到大量强腐蚀性试剂或有毒试剂,而且,到目前为止,大多数碳材料的制备都是在惰性气氛下进行的,整个制备过程通常要耗费相当长的时间,这无疑造成了大量惰性气体的浪费以及相应设备成本的提高。鉴于此,本论文设计构思了以惰性盐为密封、活化双功能介质,在空气气氛中制备多孔碳材料的策略。基于高温状态下熔融盐对碳产物的刻蚀作用以及盐的模板效应,以及高温下空气气氛中的氧气与高活性的碳原子反应,本研究选择生物质为前驱体,来构筑具有分级孔结构的二维碳片材料,并系统研究材料的电容性能。论文主要内容如下:（1）以富含蛋白质的三叶草为前驱物,惰性盐KCl为密封、活化双功能介质,在空气气氛中制备了氮掺杂多孔碳材料。由于高温状态下熔融盐对碳产物的刻蚀作用以及盐的模板效应可以在产物中引入介孔和大孔,同时高温下空气气氛中的氧气能进一步与高活性的碳原子反应,在产物中引入大量的微孔,所制备的二维片状结构碳材料具有高的比表面积(2244m²g^-1),充足的大孔、介孔和微孔以及丰富的氮掺杂。应用于超级电容器电极材料时,薄的二维结构缩短了离子传输距离,丰富的介孔为电解液离子提供了方便的传输通道,大量的微孔为电荷提供了丰富的离子吸附位点,氮原子掺杂改善了电极材料的浸润性并提供赝电容。因此该材料展示了优异的电化学性能,在三电极体系中电流密度为1Ag^-1时比电容达到了436Fg^-1,即使在50Ag^-1的高电流密度下依然保持着290Fg^-1的比电容。进一步组装的对称超级电容器在两电极体系下也展示出了较高的比电容(420Fg^-1,0.5Ag^-1)、好的倍率性能和30000次循环充放电后电容几乎无衰减的优异的循环稳定性。（2）以KCl和NaCl混合的熔融盐为密封、活化双功能介质,以农副产品玉米秸秆为前驱物,在空气气氛中原位、高效、可控构筑了具有分级孔结构的碳纳米片。通过TG-DSC深入研究了玉米秸秆在空气气氛熔盐介质中的分解和转化过程,以及在转化过程中与气体或蒸汽、熔盐离子之间的作用机理,进而实现了通过改变熔盐组成、配比、反应参数等条件调控材料的尺寸、比表面积、孔径分布等微观结构参数,探究了熔盐介质对材料结构的调控机理。通过系统优化参数调控材料的形貌结构及孔结构,制备的碳材料具有超薄二维片状结构,高的比表面积(1588m²g^-1),充足的大孔、介孔和微孔。应用于超级电容器电极材料时,该材料展示了优异的电化学性能,在三电极体系中电流密度为1Ag^-1时比电容达到了407Fg^-1,当进一步将该电极材料组装成对称超级电容器时,两电极体系下对称超级电容器也展示出了较高的比电容(413Fg^-1,0.5Ag^-1)、好的倍率性能和在5Ag^-1的电流密度下循环充放电20000次电容保持率为92.6%的优异的循环稳定性。（3）采用水热处理前驱物,辅助熔盐法在空气气氛中制备了氮掺杂的分级孔碳片材料。水热处理能破碎生物质,容易获得均匀结构材料,熔盐法可以充分利用熔盐的密封、活化双功能介质作用,为材料的制备提供特殊的微环境,基于所采用的合成策略的优势,所制备的碳材料具有均匀的超薄二维碳片结构、高的比表面积(1459m²g^-1),大量的分级孔和丰富的氮掺杂。将制备的碳材料用于超级电容器的电极材料,三电极体系下在0.5Ag^-1的电流密度下样品展示了451Fg^-1较高的比电容,进一步利用样品为两级组装对称超级电容器,组装的对称器件在两电极体系下0.5Ag^-1的电流密度下展示了309Fg^-1的高比电容,同时展现了好的倍率性能,以及优异的循环稳定性,对称器件在5Ag^-1电流密度下循环充放电10000圈以后能