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1、 I 学校代码 10530 学 号 200906031226 分 类 号 O646 密 级 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 层次多孔碳电极材料的制备层次多孔碳电极材料的制备 及其超级电容特性研究及其超级电容特性研究 学学 位位 申申 请请 人人 张张 小小 艳艳 指指 导导 教教 师师 王先友王先友 教授教授 学学 院院 名名 称称 化化 学学 学学 院院 学学 科科 专专 业业 物物 理理 化化 学学 研研 究究 方方 向向 化化 学学 电电 源源 二一二年六月 II The studies on preparation and supercapacitive behaviors of
2、hierarchically porous carbons electrode material Candidate Xiaoyan Zhang Supervisor Prof. Xianyou Wang College Chemistry Program Physical Chemistry Specialization Electrochemistry Chemical power sources Degree Master of Science University Xiangtan University Date June 2012 III 湘潭大学湘潭大学 学位论文原创性声明学位论文
3、原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是在导师的指导下由本人独立研究 所取得的科研成果。除了文中加以标注引用的内容外，不包含任何其他个 人或集体撰写发表的科研成果。对本论文所取得的科研成果做出一定贡献 的个人和集体，均已在文中明确标明。 本声明的一切法律后果均由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复
4、制手段保存和汇 编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 IV 摘 要 电化学电容器(ECs)，又称为超级电容器、超电容器或者赝电容器，是一种 结合了传统电容器和电池的新型能量储存设备及转换装置，因其具有快速充放 电、长循环寿命、低内阻和高功率密度等特点而引起了研究学者的广泛兴趣和关 注。ECs 的发展关键在于其高性能电极材料的开发和研究。目前，应用最广泛的 电极材料为大比表面碳材料。而碳材料中的层次多孔碳(HPCs)由于合成方法简 单，具有大比表面、可控孔径和多种孔结构等优点受到了越来越多的关注。 本论文以氧化镍/表面活性剂为双
5、模板、酚醛树脂作为碳源，采用溶胶-凝胶 自组装方法合成了层次多孔碳材料。并探讨了表面活性剂(CTAB)初始浓度的改 变、 不同的活化方法和不同的水系电解液对层次多孔碳材料的物理结构及其作为 超级电容器电极材料的电化学性能影响。 通过调节硝酸镍与 CTAB 初始质量比制备了五种层次多孔碳材料。通过 FE-SEM 等测试手段考察了 HPCs 的形貌，氮气吸脱附测试研究了层次多孔碳材 料的比表面积和孔径。其结果表明所制备的碳材料含有微孔-介孔-大孔的微观结 构。 当硝酸镍与表面活性剂初始质量比为4:4时所制备出的HPCs(标记为HPCs-3) 显示出最大的比表面积(689 m2 g-1)。在 6.0
6、 mol L-1 KOH 电解液中，通过 CV 测 试表明在扫描速率为 1 mV s-1时，HPCs-3 单电极比电容高达 272 F g-1。 初始质量比为 4:4 的硝酸镍与 CTAB 所制备的碳材料进行 HNO3和 ZnCl2两 种化学活化，讨论不同后处理对碳材料的物理特性以及电化学性能的影响。测试 结果表明活化处理增加了碳材料比表面积； ZnCl2活化增加了碳表面含O官能团， 而 HNO3活化不仅增加了碳表面含 O 官能团，还增加了含 N 官能团。碳材料的 电化学性能经过活化之后有很大的提高。特别是 HNO3活化的碳材料(标记为 HPCs-HNO3)表现出最佳的电化学性能：最高比电容、
7、稳定的循环性和最小内阻。 初始质量比为 4:4 的硝酸镍与 CTAB，HNO3活化制备的碳材料组装成超级 电容器， 研究其在水系电解液 2.0 mol L-1 (NH4)2SO4， 2.0 mol L-1 Na2SO4， 0.5 mol L-1 H2SO4和 6.0 mol L-1 KOH 中的电化学性能。结果表明经过 HNO3活化的层次 多孔碳超级电容器在 6.0 mol L-1 KOH 电解液中，表现出最佳的电化学性能。循 环寿命测试结果显示活性 HPCs 超级电容器在不同水系电解液中，电压范围为 0.01.0 V 及 0.01.2 V 时都表现出良好的循环稳定性， 特别是在 6.0 mo
8、l L-1 KOH 电解液中稳定性最好，循环上千次而容量衰减很小。恒流充放电测试表明在 6.0 mol L-1 KOH 电解液中的等效串联电阻最小为 2.83 。 关键词：关键词：超级电容器；层次多孔碳；表面活性剂；活化；水系电解液 V Abstract Electrochemical capacitors (ECs), named supercapacitors or ultracapacitors and psuedocapacitors, are specific and new-style devices by combining traditional capacitors and
9、batteries for energy stores and conversion. ECs have gained a significant amount of interest and attention because they have various advantages, for examples fast charge/discharge, long-time cycle life, low internal resistance and high power density. It is well known that the key of development of E
10、Cs depends upon the development of the electrode material with high performance. Currently, the most important electrode materials for ECs are carbons with high specific surface areas. Whats more, hierarchical porous carbons are extensively investigated due to their simple process, controllable pore
11、 size and kinds of pore structures. In this paper, hierarchically porous carbons (HPCs) are prepared by sol-gel self-assembly process with nickel oxide and surfactant as the dual template. Furthermore, the effects of surfactant template concentration, activated methods and aqueous electrolytes on ph
12、ysical properties and electrochemical performance of HPCs are discussed. Various hierarchically porous carbons are prepared by adjusting initial mass ratio of nickel nitrate and surfactant. The morphologies of HPCs are characterizated by Field emission scanning electron microscope (FE-SEM) and so on
13、. And the specific surface areas and pore size distribution are measured by nitrogen adsorptiondesorption isotherm at 77 K. The results show the as-prepared porous carbons with micro-meso-macro structures. The porous carbons (marked with HPCs-3) with the most excellent electrochemical performance ar
14、e obtained when the initial mass ratio of nickel nitrate and surfactant is 4:4, and the highest specific surface areas of HPCs-3 is 689 m2 g-1. The highest specific capacitance of HPCs-3 electrode from CV is 272 F g-1 at the scan rate of 1 mV s-1 in 6.0 mol L-1 KOH electrolyte. The HPCs with initial
15、 mass ratio of nickel nitrate and surfactant of 4:4 are activated by HNO3 and ZnCl2, and the effects of activated methods on physical properties and electrochemical performance of HPCs are discussed. The results show the specific surface areas of the activated HPCs are improved. Compared to the HPCs, the HPCs-ZnCl2 have more oxygen functional groups, while the HPCs-HNO3 indicate higher oxygen and nitrogen groups. The electrochemical behaviors of the modified HPCs are improved. Whats more, t
