表面活性剂辅助提升密胺树脂衍生碳用超级电容器电极材料的倍率性能

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能源短缺与环境污染问题阻碍了人类的可持续发展,为了有效利用能源,研究者们对高效低成本的超级电容器储能技术有着很大的兴趣。为了获得更好性能的电极材料,对基体材料的选择提出了双重要求。富氮有机物原位碳化,自身获得高氮含量、介孔孔隙,已经被证明是一个有效策略。其中三聚氰胺甲醛树脂(密胺树脂,MF)在众多材料中脱颖而出,因其本身具有的高键能的-C=N-,赋予材料在碳化后,获得高氮杂原子保留率(15 at.%以上),从而保证了材料与电解质接触界面的润湿性,发生快速可逆的氧化还原反应以提供更多的赝电容。还能在碳化过程中得到丰富的介孔孔隙结构,加速传输电解质离子,提高可储存的积累电荷量。综合性能优异,应用潜能优势突出。研究表明,利用表面活性剂制备的聚合物基碳材料,可改善电极材料的润湿性,以获得良好的电解质渗透能力,从而最大限度地增加电极/电解质界面的电荷积聚。并且碳化活化过程中带来大量的介孔,有效地提高了电极材料的倍率性能与电容性能。因此通过调控表面活性剂的种类和用量,研究表面活性剂对电极材料结构和电容性能的影响规律,提升电极材料的倍率性能与电容性能是非常可取的。本论文的主要工作包括3个方面:1. 用密胺树脂作为基体碳材料,引入阳离子型表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB),经过简便的一步法合成了密胺树脂基衍生碳材料。而且系统地探究水浴温度(30、40、50 oC),CTAB的用量(0.05~0.2 g)以及反应时间(6~30 min)对材料电容性能及倍率性能的影响,最佳的实验条件经过表征测试得出,得到最佳性能样品MFC-0.2CTAB在电流密度为0.5 A g-1下的比电容值为255 F g-1,且在10A g-1的条件下仍能保持190 F g-1,保留1 A g-1时的77%,倍率性能良好。此研究结果表明CTAB辅助提升密胺树脂基碳材料的倍率性能,具有实际应用价值。2. 用密胺树脂作为基体碳材料,引入阴离子型表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS),一步水浴法制备得到密胺树脂基衍生碳材料。而且系统地探究碳化温度(700~800 oC),SDS的用量(0.05~0.2 g),水浴温度(30~50 oC)对材料电容性能及倍率性能的影响,最佳的实验条件经过表征测试得出,得到最佳性能样品MFC-0.1SDS,在电流密度为0.5 A g-1下的比电容值为309 F g-1,且在10 A g-1的条件下仍能保持216 F g-1,保留1 A g-1时的78%,展现出较高的倍率性能。并且在10 A g-1的条件下循环10000圈,仍能保持最初电容的103%,循环稳定性能高。此研究结果表明SDS辅助提升密胺树脂基碳材料的倍率性能,制备简便,环保绿色,具有实际应用意义。3. 采用密胺树脂作为基体碳材料,引入非离子型表面活性剂三嵌段共聚物Pluronic F127(F127),经过简便的一步法合成了密胺树脂基衍生碳材料。而且系统地探究碳化温度(700~800 oC),F127的用量(0.05~0.2 g)以及反应时间(6~30min)对材料电容性能及倍率性能的影响,最佳的实验条件经过表征测试得出,得到最佳性能样品MFC-0.1F127有着高达246 m2 g-1的比表面积,N、O杂原子含量分别高达22 at.%,5.3 at.%,杂原子含量丰富。在电流密度为0.5 A g-1下的比电容值(Csp)为313 F g-1,且在10 A g-1的条件下仍能保持228 F g-1,保留1 A g-1时的85%,展现出优异的倍率性能。并且在10 A g-1的条件下循环10000圈,仍能保持最初电容的105%,循环稳定性能高。对称超级电容器的最大能量密度为29 W h kg-1,功率密度为900 W kg-1,18000 W kg-1时仍为13 W h kg-1。此研究结果表明F127辅助提升密胺树脂基碳材料的倍率性能,优势明显,发展潜力巨大。有趣的是,以F127为模板合成密胺树脂的过程中,聚合物微球由不加表面活性剂的大小不一的无序微球转变为分布均匀的单分散微球,碳化处理后比表面积大幅提升,氮原子热损失减少,氮含量从15.1 at.%变为24.0 at.%,说明了表面活性剂不仅起到了调节形貌的作用,还调控了聚合过程,其调控机理仍在进一步探索中。
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