论文部分内容阅读
超级电容器是一种新型储能器件,具有功率密度高、充放电速度快、使用寿命长等优点,受到人们的广泛关注。电极材料是新型超级电容器的关键组成部分,而碳材料是最受科研人员青睐的电极材料。在各种各样的碳材料中,树脂基炭材料是作为电极材料的优良选项。树脂材料——树脂基炭材料的前驱体——微观形貌可控,可据此设计树脂基炭材料的特殊形貌;树脂材料是杂原子的良好载体,碳化过程中即可完成掺杂,改善树脂基炭电极材料的电化学性能。硫脲和甲醛是常见的工业原料,二者在酸催化下缩聚形成硫脲醛树脂（TF）,其分子链中含有大量N、S原子,为实现树脂基炭材料的掺杂提供了先天的条件。硫脲醛树脂基炭材料（CTF）含有大量的N、S杂原子,N、S之间的协同作用有利于降低碳材料的表面疏水性,并能够与电解液发生氧化还原反应产生赝电容,适合作为超级电容器电极材料。然而,硫脲醛树脂脆弱的热稳定性,导致碳化后的N、S共掺杂树脂基炭电极材料并未达到理想中的电化学性能。本论文进行了以下三方面的研究,探讨如何强化硫脲醛树脂基炭电极材料的电化学性能:以硫脲醛树脂作为前驱体,调控原料的摩尔比、反应温度、反应时间以及催化剂用量,通过水热法合成硫脲醛树脂（HTTF）,碳化后得到不同的N、S共掺杂树脂基炭电极材料（CHTTF）。使用SEM和TEM表征HTTF和CHTTF的形貌特征,通过TG、XRD、Raman以及XPS表征其结构组成,使用电化学工作站上研究电极材料的电化学性能。研究发现,片状的HTTF团聚成松散聚集体,碳化后得到具有不规则的块状结构的CHTTF,其上有些许孔隙,表面有HTTF熔融产生的纹路,CHTTF的高N、S含量可以产生赝电容,补充电极材料的比容量。在2.0 mol L-1的H2SO4电解液中进行电化学测试,1 A g-1时,电极材料比电容值为220.8 F g-1,在10 A g-1的电流密度下,电容保留率达到78.4%,倍率性能优异,长循环10000次后,电容保留率高达101.0%,循环稳定性卓越,作为超级电容器电极材料应用潜力巨大。以PPy中空球作为软模板和掺杂剂,合成出硫脲醛树脂/PPy中空球复合材料（TF/PPy）,碳化后得到一种新型N、S共掺杂树脂基炭（CTF/PPy）电极材料。通过SEM和TEM分析,PPy中空球改变了树脂基炭材料的表面形貌,使之变得光滑。通过TG、XRD、拉曼、XPS等技术手段,PPy中空球改变了树脂基炭材料的化学结构,导致电极材料石墨化程度提高,并且杂原子的结合态发生了变化,改善了电极材料的亲水性,产生更多的赝电容。在电化学表征中测得1 A g-1的电流密度下,比电容值为226.8 F g-1,10 A g-1时电容保留率为67.0%,倍率性能良好。在10 A g-1的电流密度下,长循环10000次后,测得电极材料的电容保留率高达120.1%,循环稳定性优异,是一种优秀的电极材料。使用MnCO3作为锰源,与硫脲醛树脂复合,得到硫脲醛树脂/MnCO3复合材料,直接碳化可得到硫脲醛树脂基炭/MnO复合电极材料（CTF/MnO）,氧化其预碳化产物,二次碳化可制备出硫脲醛树脂基炭/MnO2复合电极材料（CTF/MnO2）。根据SEM、TEM、EDS、TG、XRD、Raman测试结果,证明Mn的氧化物与硫脲醛树脂基炭材料成功实现复合。根据电化学分析,1 A g-1的电流密度下,CTF/MnO和CTF/MnO2的比电容值分别为193.5 F g-1和232.5 F g-1,10 A g-1时电容保留率分别为74.9%和73.5%,倍率性能优良,具备良好的实际应用价值。