碳基納米材料結構設計與調控及其電化學性能研究.pdf

1、超級電容器作為一種重要的能源存儲技術，具有鋰離子電池和普通電解電容器不具備的諸多優點。目前超級電容器實現更大規模的應用主要障礙是其能量密度相對較低和制作成本較高，因此，該領域致力于提高能量密度和降低制作成本。商用超級電容器的電極材料主要是碳基材料。碳基超級電容器存在的主要問題是:居高不下的制備成本，制約了它的應用范圍;而其孔徑分布不合理導致的容量難以提高，則是碳基電容器電極材料制備的瓶頸。
　　使用豐富的可再生資源制備孔隙結構可調

2、的碳納米材料是一種有效的降低超級電容器成本的方法。通過對碳基超級電容器材料的孔徑級配和孔隙結構的設計，嘗試不同方法對碳基材料進行結構調控，以研究不同碳基納米結構對碳基超級電容器電化學儲能性能的影響是本文研究的研究目標。本論文主要研究內容如下:
　　1、以檸檬酸為原料通過冰模板法制備多孔碳氣凝膠，以KOH作為活化劑進行高溫活化處理，腐蝕活化出更多微孔，實現了對分級多孔的碳氣凝膠的可控制備。液氮快速冷凍得到的最終樣品具有圓柱形大孔，而

3、冰箱慢速冷凍得到的最終樣品具有狹縫形大孔結構。冷凍方式不同可以得到不同孔型的碳氣凝膠。液氮和冰箱冷凍碳氣凝膠，在2mV/s的掃速下比電容分別達到204.3 F g-1和235.6 F g-1。兩種冰模板制備方法簡單環保，為利用可再生資源制備分級多孔碳電極材料提供了一種新的制備方法。
　　2、盡管利用冰模板法可以制備出具有良好電化學性能的多孔碳，但是制備的多孔碳的孔隙結構可控性需進一步提高。本論文首次提出將KIT-6和氧化硅球組裝在

4、一起構成二氧化硅雙模板。利用結構設計和尺寸優化制備出的二氧化硅雙模板，通過木素磺酸鹽灌注、高溫碳化、模板去除和化學活化等過程實現多孔碳孔隙結構的優化，制備出電容性能良好的分級多孔碳材料。木素磺酸鹽這種天然高分子材料是非常理想的模板法制備多孔碳的原材料。本研究為利用可再生資源制備具有結構可調的多孔碳材料提供了一種有效可行的設計思路。
　　3、在進行碳材料結構調控的基礎上，設計了無機納米結構-碳復合結構電極材料。用尿素做形態導向，通過

5、一步水熱法制備TiO2，所得TiO2在NH3氣氛下800℃氮化1h。之后，葡萄糖水熱法涂覆薄層碳。最后，在管式爐中800℃的NH3氣氛下1h同時經歷了進一步的氮化和完全碳化，轉化為包碳TiN。由于TiN優異的導電性，制備成超級電容器電極后活性材料海膽狀包碳TiN和基板之間具有的很好的導電接觸。碳殼可以保護多晶TiN不受機械開裂和化學氧化的影響。薄層碳殼可以提高TiN的穩定性。
　　綜上所述，本論文的研究內容主要是碳基納米材料的結構

6、設計與調控?；诒０宸ㄖ苽涮細饽z，通過對冷卻條件的精確調控，得到不同孔型的多孔碳氣凝膠，活化進一步提高了電容性能。以工業和生活廢棄物提取的天然高分子為主要原料，通過二氧化硅雙模板法對碳孔隙結構及其相關電學特性的調控，得到分級多孔碳電極材料。探索了碳殼包覆TiN納米結構的構建。論文從性能設計，化學合成和結構調控，以及將不同電容器材料復合，進行了深入的理論和實驗研究，并獲得了高性能的超級電容器電極材料。本論文所述的研究結果和設計思路為制