L-络氨酸衍生聚合物基掺杂炭的制备及超级电容性能研究

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超级电容器具有高功率密度、快充电速度和长循环寿命等优点,是近年来受到广泛关注的一种储能器件。电极材料的设计开发是超级电容器的研究重点,其中,多孔炭材料是超级电容器应用最广泛的电极材料。有机聚合物是生活中常见的一种高分子材料,近些年来成为制备多孔炭超级电容器电极材料的常用前驱体,主要是由于其具有炭转换率高、价格便宜和孔结构可控等优点。为了提高有机聚合物基多孔炭的电化学性能,一般通过优选原料、改进制备工艺、优化活化方法、掺杂异质原子等措施来增加其比表面积、调节孔隙结构、改变表面化学组成以及提高电导率。本论文以L-络氨酸和吡咯二甲醛作为有机聚合反应的单体,以磷酸作为聚合反应的催化剂和杂原子掺杂剂,此外还以硼酸作为杂原子掺杂剂,先制得有机聚合物凝胶,采用常压干燥后,再经高温碳化活化制备出系列N/P和N/B掺杂的多孔炭电极材料,表征了杂原子掺杂多孔炭电极材料的组成与结构,测试了其电化学性能,优化了制备条件。主要研究内容如下:(1)以磷酸为聚合反应催化剂和磷源,先制得L-络氨酸-吡咯二甲醛有机聚合物凝胶,经常压干燥后,通过高温碳化活化方法获得了具有层级孔结构的N/P双掺杂多孔炭材料。考察了KOH用量和煅烧温度对材料的形貌、组成和结构以及电容性能的影响。结果表明,当碳化温度为800℃,KOH与碳气凝胶的质量比为2:1,活化温度为800℃时制得的样品具有最优的电化学性能。在KOH电解液中,电流密度为0.5 A g-1时的比电容为302 F g-1,在电流密度为20 A g-1时,仍具有214F g-1的比电容;在活性物质的负载量为60 mg时,质量比电容为240 F g-1,面积比电容为14.38 F cm-2;在4 A g-1的电流密度下经过2万圈循环后,电容没有衰减。在组装的对称型两电极体系中,在4 A g-1的电流密度下经过10万圈循环后,电容几乎没有衰减,表现出优异的循环稳定性。此外,在Na2SO4电解液中,该电极在功率密度为250 W kg-1时的能量密度为21.51 Wh kg-1。这些优异的性能主要可归因于样品具有较大比表面积(1877 m2 g-1),交联网状的分级孔结构以及N/P原子的掺杂(N和P的掺杂量分别为1.21 at%和1.56 at%)。(2)采用硼酸作为掺杂剂,通过一步碳化活化L-络氨酸-吡咯二甲醛有机聚合物凝胶获得了富含微孔的N/B双掺杂多孔炭材料。优化了硼酸用量和碳化活化温度。结果表明,当硼酸与L-酪氨酸质量比为1:1,碳化活化温度为700℃时制得的样品的比表面积为1721 m2 g-1,具有丰富的微孔结构,同时含N量为4.36 at%,含B量为0.24 at%。这些结构特点使得该样品具有优异的电化学性能。在KOH电解液中,电流密度为0.5 A g-1时的比电容为377 F g-1,在20 A g-1时电容保持率达73%,具有较好的倍率性能;在负载量为60 mg时,质量比电容为292 F g-1,面积比电容为17.53 F cm-2。两电极体系中,在5 A g-1的电流密度下经过10万圈循环后,电容没有衰减,展现出其超长的循环寿命。此外,在Na2SO4电解液中,该电极在功率密度为200.5 W kg-1时的能量密度可达18.4 Wh kg-1。
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