连续多孔碳骨架的制备及其超级电容器性能的研究

【摘要】由能源危机而引发的环境污染等问题已经越来越严重,人们迫切需求新能源装置的开发。新一代的锂离子电池虽然在容量和使用寿命上有了很大的提高,但仍然无法满足实际生活中的需求。超级电容器作为新型的储能装置,与电池相比,超级电容器更有功率密度高、充放电效率高、漏电流小、免维护、对环境友善等优势。先进的碳材料如石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维等作为超级电容器的电极材料已经被深入研究了数十年了。这此些碳材料表现出了很高的功率密度和优越的电容性能,但它们的一些严重的缺点限制了它们大规模应用于日常生活之中,比如高昂的成本、复杂的制备工艺、制备过程中所用到的强氧化剂会对环境造成极大的危害。为了实现商业利益的最大化,把可持续可再生的生物材料作为碳源将是实现低成本碳转化为高产值商品的有效途径。生物材料是自然生物以最少的原材料构造了各种坚固、实用、美观的生物组织,具有比人工合成的其它材料更独特、奇异、精妙的优点。而仿生材料是模拟生物对象的功能和结构,通过对生物对象的结构、信息过程、性质、能量转换等方面的研究,深入认识生物活动的本质,将生物系统的运行模式与其结构规律结合起来,设计出具有优异性能的人工材料。因此,从低廉、优异的生物材料中寻找超级电容器所需要的电极材料是一件非常具有可持续、高经济利益的做法。在本论文中,首先以贝壳为原材料通过简单的脱钙和退火过程得到了三维多孔的碳网格,在贝壳的整个处理过程中没有用到任何的强氧化剂和催化剂,这种环境友好的特性符合新型清洁能源大规模应用于日常生活的需求。最后制备了三维碳网格@金属氧化物(氢氧化物)复合材料,并将复合材料作为电极材料应用于超级电容器领域,表现出了令人振奋的电容性能。具体工作如下：(a)制备了三维碳网格@Ni(OH)2纳米片复合材料,对复合材料进行了相关的形貌分析和电化学测试。经计算三维碳网格@Ni(OH)2纳米片复合材料在电流密度为1A/g、10A/g时质量比电容分别为1312F/g、970F/g,这些结果远高于其它Ni(OH)2测试的结果。在高电流密度15A/g、20A/g、25A/g、30A/g下,其比电容为864F/g、807F/g、778F/g、730F/g,如此优良的性能还未曾被报道过。基于三维碳网格@Ni(OH)2纳米片复合材料的对称超级电容器也表现出了较好的实际应用能力,将电容器与红色的LED连接后成功的将灯点亮,并且在电流密度2A/g充电40秒能使灯持续发光270秒。(b)以三维碳网格为模板生长金属氧化物Co3O4,制各得到三维碳网格@Co3O4纳米立方体复合材料,先对材料进行了XRD、SEM表征,随后做了一系列电化学测试,在电流密度为1A/g,2A/g,4A/g,10A/g下,复合材料的质量比电容分别为817F/g,720F/g,640F/g,614F/g,542F/g。在电流密度为4A/g下经过1000次充放电测试,其比电容仍能达到初始电容的86%,这显示了三维碳网格@Co3O4纳米立方体复合材料良好的循环稳定性,以及具有很好的实际应用潜力。(c)用简单的水热法制备了三维碳网格@MnO2纳米线复合材料,对复合材料进行了一系列的表征和电化学测试,在电流密度为0.5A/g、1A/g、2A/g、4A/g时比电容分别为335F/g、235F/g、175F/g、125F/g。这些结果表明三维碳网格@MnO2纳米线复合材料有很好的电容性能。也证明了这种三维碳网格模板与金属氧化物间良好的亲和性。
【作者】苏俊；
【导师】祝志宏；
【作者基本信息】华中师范大学，凝聚态物理，2014，硕士
【关键词】超级电容器；碳网格；纳米材料；电容性能；

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