bra多孔碳材料在超級電容器中的應用

bra多孔碳材料在超級電容器中的應用

由于絕緣電阻的比容量取決于電極材料的類型，碳基材料具有高水平的比容量和功率密度。這是理想的電極材料。提高比表面積、優(yōu)化孔徑和表面處理等途徑，可提升碳基材料的比電容，改善與電解質(zhì)的潤濕性碳材料電極的孔隙結構對電解質(zhì)與電極材料的可及性、離子的傳輸和導電性等都有重要影響目前，BRA多孔碳材料用在超級電容器電極材料的報道很少，具有廣闊的發(fā)展空間。本文作者通過化學合成、納米澆注和碳化等簡單方法，制備BRA基氮、硫共摻雜多孔碳材料，并研究其作為超級電容器材料的性能。1實驗1.1正丁醇、正硅酸四乙酯的合成在室溫下，將3.75g聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷三嵌段共聚物P123(Sigma公司，AR)與145ml1mol/LHCl(國藥集團，GR)于三口燒瓶中混合均勻;再加入3.75g正丁醇(天津產(chǎn)，AR)、8.1g正硅酸四乙酯(國藥集團，AR)，磁力攪拌24h。將上述溶液倒入水熱釜中，置于130℃鼓風烘箱中反應24h。反應產(chǎn)物經(jīng)多次過濾、去離子水洗滌后，于110℃鼓風烘箱中干燥6h，所得白色粉末置于通有空氣的管式爐中，以1.5℃/min的速率升溫至550℃，焙燒6h，即得到KIT-6模板。1.2bra的預處理將12.3gBRA粉(印度尼西亞產(chǎn)，工業(yè)級)倒入100mlN-甲基吡咯烷酮(天津產(chǎn)，AR)中，機械攪拌4d后過濾，得到濃度為3.0%BRA溶液。將BRA溶液分6次澆注到KIT-6中，m(BRA)∶m(KIT-6)=1∶10，每次澆注完畢，都在130℃下真空(真空度為-0.1MPa，下同)干燥4h。將上述產(chǎn)物放入管式爐內(nèi)，在空氣氣氛下，于270℃保溫2h，完成預氧化;再在氮氣氣氛下，以10℃/min的速率升溫至所需碳化溫度，并保溫2h;最后用5%HF溶液(天津產(chǎn))除去SiO1.3材料結構表征分別采用JSM-6700F型掃描電子顯微鏡(日本產(chǎn))和TF20型透射電子顯微鏡(日本產(chǎn))分析樣品的形貌和微觀結構;TENSOR27型傅里葉紅外光譜(FTIR)儀(德國產(chǎn))測試材料分子結構;Miniflex600型X射線衍射儀(日本產(chǎn))對材料的成分和晶體結構進行分析;AutosorbiQ型比表面積及物理吸附分析儀(美國產(chǎn))測定材料比表面積和孔徑分布以及ES-CALAB250XI型X射線光電子能譜(XPS)儀(美國產(chǎn))測定多孔碳材料的元素種類和相對含量。1.4電化學性能測試將多孔碳材料、乙炔黑和聚四氟乙烯(PTFE)乳液按質(zhì)量比8∶1∶1混勻成漿料，加入10倍混合物質(zhì)量的乙醇(天津產(chǎn)，AR)，超聲波處理30min，再涂覆到泡沫鎳(昆山產(chǎn)，110PPI)上，用壓力機壓制，在100℃下真空干燥12h。三電極體系以Hg/HgO電極為參比電極，鉑電極為輔助電極，壓制的電極片為工作電極;二電極由兩片質(zhì)量相近的電極片組成。用CHI660A電化學工作站(上海產(chǎn))進行電化學性能測試，電解液為6mol/LKOH(天津產(chǎn)，AR)。三電極體系循環(huán)伏安(CV)和恒流充放電(GCD)測試的電壓為-1.0～0V。CV測試的掃描速率為5～200mV/s,GCD測試的電流為2.0～10.0A/g。二電極體系在0～1V進行CV和GCD測試，CV測試的掃描速率為5～200mV/s,GCD測試的電流為0.5～5.0A/g。2結果與討論2.1結構的表征和紅外光譜圖1為制備的CPCs的SEM圖和CPC-800的TEM圖。從圖1可知，CPC-700結構較為致密，表面孔洞較小;CPC-800顆粒結構疏松，顆粒之間的間隙明顯，表面孔洞CPC-700大;CPC-900有明顯的向片層狀變形的趨勢。這是由于高溫碳化所致。從CPC-800的TEM圖(圖1d)可見，CPC-800在整個區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)出大范圍高度有序的微觀結構，進一步證實了CPC-800是介孔KIT-6(Ia3d對稱)的逆復制品。圖2為制備的CPCs的XRD圖。從圖2可知，3種CPCs樣品均在25°和43°處有兩個峰，分別對應于(002)和(100)晶面，表明CPCs具有部分石墨化結構和無定形碳。制備的CPCs的紅外光譜見圖3。圖3中，位于1060～1630cm制備的CPCs的N圖4(a)所示，所有樣品的吸-脫附等溫線均為Ⅳ型，具有明顯的毛細凝聚效應。根據(jù)國際純粹與應用化學聯(lián)合會(IUPAC)分類，該材料具有高質(zhì)量介孔結構特征從表1可知，樣品的比表面積(S制備的CPCs的XPS見圖5。從圖5可知，3種材料均存在C圖6為CPC-800的C制備的CPCs的元素含量見表2。從表2可知，CPCs樣品中S含量約為1%;氮的含量隨著碳化溫度的升高而降低，但均高于5.57%，進一步說明BRA的高含氮量，將有利于提高電極材料的電化學性能2.2電氣表性能分析2.2.1恒流充放電特性制備的CPCs的CV曲線見圖7。從圖7(a)可知，CPC-800具有最大的回路面積，并且在-0.5V處有一個因N官能團的贗電容產(chǎn)生的小峰。從圖7(b)可知，隨著掃描速率的增加，CPC-800的CV曲線形狀變化不明顯，說明制備的電極具有良好的電荷轉(zhuǎn)移特性。制備的CPCs在2.0A/g電流下的恒流充放電曲線和倍率性能見圖8。從圖8(a)可知，CPC-800的充放電時間最長，比電容最大，為211F/g，原因是CPC-800擁有合適的孔隙率和電導率，可加快電荷的傳輸。從圖8(b)可知，隨著電流的增大，比電容略有減小。當電流為10A/g時，CPC-800的比電容仍有165F/g，說明CPC-800電極具有良好的倍率性能。2.2.2恒流充放電gcd測試為進一步研究CPCs電極材料的實際應用價值，測試了CPCs對稱電容器的電化學性能。二電極體系中制備的CPCs的CV曲線見圖9。從圖9(a)可知，CPC-800的回路面積最大，說明比電容最大。從圖9(b)可知，CPC-800的CV曲線均為類似矩形，說明具有理想的雙電層電容特性。隨著掃描速率增加，CPC-800的CV曲線的形狀幾乎不變，說明具有良好的倍率性能。二電極體系中制備的CPCs在1.0A/g電流下的恒流充放電(GCD)曲線和倍率性能見圖10。從圖10(a)可知，CPC-800的充放電時間最長。從圖10(b)中可知，當電流為0.5A/g時，CPC-800的比電容為137.6F/g;當電流增加到5A/g時，比電容為110F/g，電容保持率為80%，說明CPC-800具有良好的倍率性能。這是由于較高碳化溫度下材料的孔隙結構更發(fā)達，使電解液離子的傳輸更方便。制備的CPCs的Ragone圖和交流阻抗譜見圖11。從圖11(a)可知，當對稱電容器的比功率為1000W/kg時，CPC-800的比能量可達19.11Wh/kg，比功率達到10kW/kg，比能量仍保持在15.28Wh/kg。CPC-800的比能量高于文獻報道的CPCs電極材料交流阻抗譜是用來檢測超級電容器電化學性能的常用方法。如圖11(b)所示，CPC-800在高頻區(qū)域呈現(xiàn)的半圓形最小，高頻區(qū)域內(nèi)與實軸的截距最小，也就是其法拉第電荷轉(zhuǎn)移電阻(R3多孔材料的電