多孔碳材料的熔鹽法制備、結構調控及電容性能研究

多孔碳材料的熔鹽法制備、結構調控及電容性能研究作為一種綠色儲能器件,超級電容器具有大的功率密度、好的循環(huán)穩(wěn)定性以及高的安全性等優(yōu)勢,但目前的瓶頸問題是能量密度較低。為了提高超級電容器的能量密度,設計合成高性能的電極材料具有重要的意義。碳材料作為基礎電極材料,就其理想結構而言,二維片狀結構能夠縮短電解液離子的傳輸距離,同時有利于電子的快速傳遞;分級孔結構能協(xié)同發(fā)揮作用,介孔可以為電解液離子提供更暢通的傳輸通道、提高離子傳輸速率,微孔則可以為電極材料提供更多的活性位點。但具有分級孔結構的二維片狀碳材料的制備目前缺乏綠色高效的手段,其制備過程通常要涉及到大量強腐蝕性試劑或有毒試劑,而且,到目前為止,大多數(shù)碳材料的制備都是在惰性氣氛下進行的,整個制備過程通常要耗費相當長的時間,這無疑造成了大量惰性氣體的浪費以及相應設備成本的提高。鑒于此,本論文設計構思了以惰性鹽為密封、活化雙功能介質,在空氣氣氛中制備多孔碳材料的策略?；诟邷貭顟B(tài)下熔融鹽對碳產物的刻蝕作用以及鹽的模板效應,以及高溫下空氣氣氛中的氧氣與高活性的碳原子反應,本研究選擇生物質為前驅體,來構筑具有分級孔結構的二維碳片材料,并系統(tǒng)研究材料的電容性能。論文主要內容如下:（1）以富含蛋白質的三葉草為前驅物,惰性鹽KCl為密封、活化雙功能介質,在空氣氣氛中制備了氮摻雜多孔碳材料。由于高溫狀態(tài)下熔融鹽對碳產物的刻蝕作用以及鹽的模板效應可以在產物中引入介孔和大孔,同時高溫下空氣氣氛中的氧氣能進一步與高活性的碳原子反應,在產物中引入大量的微孔,所制備的二維片狀結構碳材料具有高的比表面積(2244m²g^-1),充足的大孔、介孔和微孔以及豐富的氮摻雜。應用于超級電容器電極材料時,薄的二維結構縮短了離子傳輸距離,豐富的介孔為電解液離子提供了方便的傳輸通道,大量的微孔為電荷提供了豐富的離子吸附位點,氮原子摻雜改善了電極材料的浸潤性并提供贗電容。因此該材料展示了優(yōu)異的電化學性能,在三電極體系中電流密度為1Ag^-1時比電容達到了436Fg^-1,即使在50Ag^-1的高電流密度下依然保持著290Fg^-1的比電容。進一步組裝的對稱超級電容器在兩電極體系下也展示出了較高的比電容(420Fg^-1,0.5Ag^-1)、好的倍率性能和30000次循環(huán)充放電后電容幾乎無衰減的優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。（2）以KCl和NaCl混合的熔融鹽為密封、活化雙功能介質,以農副產品玉米秸稈為前驅物,在空氣氣氛中原位、高效、可控構筑了具有分級孔結構的碳納米片。通過TG-DSC深入研究了玉米秸稈在空氣氣氛熔鹽介質中的分解和轉化過程,以及在轉化過程中與氣體或蒸汽、熔鹽離子之間的作用機理,進而實現(xiàn)了通過改變熔鹽組成、配比、反應參數(shù)等條件調控材料的尺寸、比表面積、孔徑分布等微觀結構參數(shù),探究了熔鹽介質對材料結構的調控機理。通過系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)調控材料的形貌結構及孔結構,制備的碳材料具有超薄二維片狀結構,高的比表面積(1588m²g^-1),充足的大孔、介孔和微孔。應用于超級電容器電極材料時,該材料展示了優(yōu)異的電化學性能,在三電極體系中電流密度為1Ag^-1時比電容達到了407Fg^-1,當進一步將該電極材料組裝成對稱超級電容器時,兩電極體系下對稱超級電容器也展示出了較高的比電容(413Fg^-1,0.5Ag^-1)、好的倍率性能和在5Ag^-1的電流密度下循環(huán)充放電20000次電容保持率為92.6%的優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。（3）采用水熱處理前驅物,輔助熔鹽法在空氣氣氛中制備了氮摻雜的分級孔碳片材料。水熱處理能破碎生物質,容易獲得均勻結構材料,熔鹽法可以充分利用熔鹽的密封、活化雙功能介質作用,為材料的制備提供特殊的微環(huán)境,基于所采用的合成策略的優(yōu)勢,所制備的碳材料具有均勻的超薄二維碳片結構、高的比表面積(1459m²g^-1),大量的分級孔和豐富的氮摻雜。將制備的碳材料用于超級電容器的電極材料,三電極體系下在0.5Ag^-1的電流密度下樣品展示了451Fg^-1較高的比電容,進一步利用樣品為兩級組裝對稱超級電容器,組裝的對稱器件在兩電極體系下0.5Ag^-1的電流密度下展示了309