【摘 要】
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超级电容器因具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长、工作温度宽等优点而被研究者们广泛关注。如何在保持本身高功率密度和优异循环稳定性的同时,兼具与电池相媲美的高能量密度,是超级电容器当前面临的严峻挑战。作为决定电容性能的关键因素,高性能电极材料的研发对超级电容器的商业化具有重要意义。其中,碳材料因具有无毒、成本低、来源广、导电性好、比表面积大及孔结构可调、结构稳定性好、可使用温度范围宽等优点而备受
【基金项目】
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国家自然科学基金(51673161、51773172、U1805253); 福建省自然科学基金(2019J01032); 福建省科学与技术创新平台(2014H2016); 福建省重大科技专项(2018HZ0001-1)
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超级电容器因具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长、工作温度宽等优点而被研究者们广泛关注。如何在保持本身高功率密度和优异循环稳定性的同时,兼具与电池相媲美的高能量密度,是超级电容器当前面临的严峻挑战。作为决定电容性能的关键因素,高性能电极材料的研发对超级电容器的商业化具有重要意义。其中,碳材料因具有无毒、成本低、来源广、导电性好、比表面积大及孔结构可调、结构稳定性好、可使用温度范围宽等优点而备受瞩目。然而,因为难以发生法拉第反应,碳材料比电容的提高遇到了关键瓶颈。在碳材料中掺杂氮元素是解决该难题的重要思路。本论文立足于具有高度动态可逆性的席夫碱形成反应,通过改变其反应动力学,以简便快速的方法构筑了不同形貌的席夫碱交联聚合物作为前驱体,通过控温煅烧的方式获得了氮掺杂多级孔碳材料,并研究了比表面积及孔结构、杂原子含量等因素,尤其是不同形貌对材料超电性能的影响。具体研究工作总结如下:(1)以1,3,5-三(4-氨苯基)苯(TAB)和对苯二甲醛(TPA)为原料,适量三氟甲磺酸为催化剂,简便快速地合成了类珊瑚状的席夫碱交联聚合物(SP),将其于不同碳化温度下热解得到氮掺杂多级孔碳材料(HPCN-X),研究了碳化温度对材料有序化程度、比表面积及孔结构、化学组成成分的影响,并进一步分析了这些因素对电极材料双电层电容和法拉第电容的影响。结果表明:高温使杂原子在碳化过程中大量逃逸,降低了材料的表面润湿性,使有效比表面积变小;降低碳化温度有利于保留更多杂原子,但较小的比表面积不利于暴露活性位点,造成杂原子有效利用率降低。换言之,HPCN-850优异的超电性能是适宜大小的比表面积和杂原子含量协同作用的效果。(2)通过调节酸催化剂的添加量和种类、改变单体的反应活性以调节席夫碱反应的反应速率,合成了一系列形貌不同的席夫碱交联聚合物(SPs)作为前驱体,经过简单的一步碳化反应获得了氮掺杂多级孔碳材料(HPCNs)。研究了反应速率对电极材料的形貌、比表面积以及杂原子含量等的影响,并重点关注了形貌对电极材料的双电层电容和法拉第电容的影响。电化学性能最佳的样品(HPCN-3)具有类珊瑚状结构、高达1003m2g-1的比表面积以及明显的多级孔结构,在1 M H2SO4电解液中表现出高达359.5F g-1(0.5 Ag-1)的质量比电容、出色的倍率性能和循环稳定性。此外,HPCN-3拥有最大的归一化双电层电容(0.239 F m-2)和法拉第电容(10.24 Fg-1),这是由于类珊瑚状结构赋予了 HPCN-3较大的外表面积,从而提高了比表面积和杂原子的有效利用率。
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