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碳化钙骨架碳的制备及其在超级电容器中的应用研究

戴春岭  
【摘要】:超级电容器是一种新型的能量储存装置,又称电化学电容器或双电层电容器,其容量可达到法拉级甚至数万法拉,比能量是传统电容器的20-200倍。此外还兼有功率密度大、温度范围宽(-20-60℃)、无污染、长寿命等优良特性,在介于可充电电池和传统电容器的应用领域逐渐崭露头角。由于超级电容器具有广阔的应用前景,开展超级电容器电极材料、电解液等的基础研究,在民用和国防领域均具有重要意义。 本文以廉价碳化钙为前驱体,实验室自制高活性氯气为刻蚀剂,通过一步合成法制备了碳化钙骨架碳材料。用X-射线衍射(XRD),扫描电镜(SEM),透射电镜(TEM)等对制备的碳化钙骨架碳样品的物理性能进行表征。研究结果表明:碳化钙骨架碳具有纳米多孔结构,孔洞相互连通,其XRD谱图显示碳化钙骨架碳是由两个宽化的衍射峰组成,说明碳化钙骨架碳为非晶态结构。随着反应温度升高至600℃,(002)衍射峰变窄,表明骨架碳材料有部分石墨化倾向。表面积及孔径分析显示,100℃所制备的骨架碳具有较大的比表面积,其值达800 m~2g~(-1)。随着反应温度的升高,比表面积逐渐下降,所得的碳化钙骨架碳具有窄孔径分布,范围为1.4-17 nm,平均孔径与制备温度密切相关。随着制备温度从100℃升高至600℃,平均直径从1.9 nm增加至3.8 nm。 将不同温度下制备的碳化钙骨架碳材料用作超级电容器的电极材料,6molL~(-1) KOH溶液作为电解液,组装了对称型扣式电容器,采用一系列的电化学方法研究了不同温度下制备的碳化钙骨架碳的电化学性能。结果表明:碳化钙骨架碳作为超级电容器的电极材料具有较大的比电容,400℃制备的碳化钙骨架碳单电极的比电容达174.6 Fg~(-1);且用骨架碳材料作电极的超级电容器具有较好的可逆性、较高的充放电效率、稳定的循环寿命,特别是用400℃制备的骨架碳材料作电极的电容器循环10000次容量衰减仅为5%。 活化处理是提高碳材料性能的一个有效方法。将200℃,400℃和600℃制备的碳化钙骨架碳在70℃浓硝酸中活化处理,用红外光谱仪研究其表面含氧官能的变化,用电化学方法研究活化对碳化钙骨架碳电极性能的影响。结果显示:硝酸活化可以使骨架碳材料的表面含氧官能团含量增加,从而增加了电极材料的亲水性,与电解液的接触更加充分,使骨架碳电极的比电容有所增加。


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